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Flashcards in Grundlagen Deck (15)
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1

CFD Bezeichnung

Computational Fluid Dynamics
(Numerische Ströumungssimulation

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Warum?

Vielzahl komplexer dynamischer Strömungsfelder kann bestimmt werden

Versuch: Nur punktuelle Messungen
Theorie: nur wenige analytische Lösungen

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Beteiligte Disziplin

Theorie der Strömungen bewegter Fluide + Wärmeübertragung, chem. Prozesse, Verbrennung...
->Differentialgleichungen, Modelle, Refernezlösungen

Numerische Verfahren
-> Lösung gekoppelter nichtlinearer partieller Diff.gl.systeme
-> Diskretisierung, Algorithmen, Stabilitätsaussagen

Computertechnik
-> Codierung der Lösungsverfahren
->Entwicklung effizienter Lösungsstrategien und Benutzerschnitstellen (Parallelisierung-> Software + abgestimmte Hardware z.B HPC-Cluster)

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Möglichkeiten der CFD

-Ursachenanalyse (z.B. Betrachtung einzelner DGL-Terme)
-> Strömungen können ein hoch dynamisches und Komplexes Verhalten aufweisen

-Alternative / Ergänzung bei moderaten Kosten

-Simulationen für Strömungen die nicht in Versuchen abgebildet werden können
-> geophysikalisch / biologisch
-> for Prototypenfertigung

- gefährliche Strömungen (z.B. Explosion)

- einfache Variation von Parametern / Geometrien

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Grenzen der CFD

-Experimentelle Untersuchung trotzdem nötig, da
-> Kostengünstige Ermittlung integraler Größen
-> Hinweise auf mögliche Probleme besser erkennbar

-Idealisierungen oder Vereinfachung häufig notwendig
-> keine gesicherten Modelle
-> rechen zeit / Kosten gering halten

- Immer nur numerische näherungslösung

- eindrucksvolle Bilder können täuschen

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Anwendung

-Forschung
-> Virtueller Versuchsstand
-> Untersuchung von Strömungsstrukturen
-> Analyse von Instabilitäten (z.B. Laminar-Turbulenter Umschlag)

-Hochschulausbildung
-> Berufliche Qualifikation
-> Stömungsmech. Verständnis
-> Praktische Anwendung von Theorie

- Industrielle Entwicklung / Konstruktion
-> Integraler Bestandteil
-> Rechnerische Auslegung als Anforderung an Zulieferer / OEM
-> Überschlägige Berechnung auf dem PC
-> Integration in CAD

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Beispiele

- Flugzeugbau
-> Auftrieb / Wiederstand
-> Stragh- / Turboporopantriebe

- Fahrzeugbau
-> Wiederstand / Abtrieb
-> Kühlung Mottorraum
-> Strömungsinduzierte Geräuschentwicklung

- Energieanlagen
-> Gas- und Dampfturbinen
-> Wasserturbinen
-> Windkraft
-> techn. Verbrennung (Heizungsanlagen)

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Generelles Vorgehen

1. Pre Processing
- Idealisierung / Modellierung
-> Geometrie
-> Vernetzung
-> Randbedingungen
-> Modelle

2. Solver
- Lösen des Gleichungssystems

3. Post Processing
- Überprüfung der Lösung
- Auswertung der Ergebnisse
- häufig Modifikation (wieder zu 1)

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ANSYS UMGEBUNG

-> Workbensch (Projektorganisation
-> Design Modeler (CAD Funktionen)
-> ANSYS Meshing (Pre-Processing)
-> Fluent
- Setup (Pre-Processing)
- Solver / Post-Processeor
-> CFD Post

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Pre Processing - CAD Bereich

- Geometrieerzeugung mit CAD / über Import
- Vorbereitung der Geometrie auf Netzgenerierung
- ggf. Segmentierung des Berechnungsgebietes

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Pre- Processing - Netzgenerierung

- Aufteilung des Gebiets in einzelne Zellen
- Netzqualität hat große Auswirkung auf das Lösungsverhalten und die Qualität der Lösungen
- Netzaufbau orientiert sich am erwarteten Strömugnsfeld
- Ggf. Definition von Subnetzbereichen
-Auswahl und Gruppierung definierter Randzellen für die Erfassung von Randbedingungen

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Pre Processing - Vorbereitung des Rechenlaufs

- Stoffeigenschaften
- Modellauswahl (Numerik, Physik)
- Solvereinstellungen (Monitoring, Konvergenzkriterien)
- Definition der Rand und Anfangsbedingungen

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Auswahl für den Solver

- Stationär / Instationär

- Reibungsbehaftet / Reibungsfrei / Wärmeübertragung

-> Reibungsbehaftet
-> Laminar / Turbulent
-> Kompressibel (Gase , Akustik) / Inkompressibel (Flüssigkeiten)
-> Innensträmung (Rohre, Kanäle) / Außenströmung (Flügel, Auto)

-> Wärmeübertragung
-> Wärmeleitung / Konvektion / Strahlung

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Solver

- Löst das diskretisierte Model
- Überwachung einzelner Größen
- Überwachung des Konvergenzverlaufs
- Serielle REchnung (1 Job -> 1 Prozessor)
- Parallele Rechnung (1 Job - N Prozessoren)
-> jeder Prozessor löst einen Teil des Gleichungssystems
-> Beschleunigung der Berechnung

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Post Processor

-> Grafische Auswertung
-> Vektorpfeile, Contourplots, 2D-Plots, Stromlinien, Isoflächen, Animationen