Flashcards in Grundlagen Deck (15)
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1
CFD Bezeichnung
Computational Fluid Dynamics
(Numerische Ströumungssimulation
2
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
5
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
6
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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