Angewandte Strömungssimulation - aer.mw.tum.de · PDF fileStefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 3 CFD mit ANSYS ICEM CFD – Gittergenerator CFX - Pre – Pre-Prozessor

Angewandte Strömungssimulation

2. Praktikum

Stefan Hickel

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 2

Geometrie

Ziel: turbulente Zylinderumströmung bei Re=2000

Größenabmessungen des Zylinders mit Integrationsgebiet (Größen a und h gem. Aufgabe):

r=0,05

= Koordinatenursprung

h

z=0,1

a 2,2

h/2

x

y

z=0


CFD mit ANSYS

ICEM CFD – Gittergenerator

CFX - Pre – Pre-Prozessor

CFX - Solve – Strömungslöser

CFX Post – Post-Prozessor

Vorgehen

Setup der Simulation mit CFX-Pre

» Einlesen des Gitters

» Grundlegende Definition der Simulation

» Definition der Strömungsdomain (Fluid, Turbulenzmodell, …)

» Definition der Randbedingungen

» Festlegung wichtiger Lösungsparameter

» Ausgaben vorgeben

» Export in eine *.def-Datei für den CFX-Solver

Simulation mit dem CFX-Solver

» Überwachung des Verlaufes



CFX - Starten

Start Alle Programme

ANSYS ANSYS 14.5 Fluid Dynamics

> CFX 14.5 Working Directory angeben: H:\...

CFX-Pre CFX Solver CFX-Post


CFX-Pre - Einführung

Dokumentation

CFX-Pre – Neuer Case

File

» New Case


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Je nach Konfiguration muss dieses Feld nicht erscheinen!

CFX-Pre – Gitter einlesen (1)

Gitter einlesen


Rechtsklick auf Mesh


Unstrukturiertes Gitter aus Termin1 (*.cfx5) auswählen

Ort: H:\...\*.cfx5


Einheit [m]

Open


Das Projekt mit eingelesenem Gitter sollte so aussehen


CFX-Pre – Simulationstyp festlegen (1)


Doppelklick auf Analysis Type

CFX-Pre – Simulationstyp festlegen (2)

Instationäre (transient) Simulation definieren


Total Time = 12 s Gesamtsimulationszeit

Adaptive Timestep: Zeitschritt wird automatisch stets so gewählt, dass CFL = 10

Simulationsstart bei 0s

CFX-Pre – Adaptive Timestep

First Update Time: 0 s – Erstmalige Anpassung des Zeitschrittes

Timestep Update Freq.: 1 – Intervall der Anpassung

Initial Timestep: 0.01 s – Zeitschritt im ersten Zeitschritt

Timestep Adaption Option: MAX Courant Number – Anpassungsparameter ist die maximale CFL-Zahl im Berechnungsgebiet

Maximum Timestep: 1E-1 s – Maximal zulässiger Wert

Minimum Timestep: 1E-4 s – Minimal zulässiger Wert

Courant-Number: 10 – Zielparameter der Anpassung


CFX-Pre – Berechnungsgebiet definieren (1)


Doppelklick auf Default Domain


Basic Settings Tab


Fluid ist Luft bei 25° C

Referenzdruck 1 atm

Keine Schwerkraft

Ruhende Domain


Fluid Models Tab


Heat Transfer Option: Isothermal Isothermal: inkompressibel Thermal Energy: inkompressibel mit veränderl. Temperatur Total Energy: kompressibel

Turbulenzmodell: Shear Stress Transport (SST)

Automatische Wandbehandlung: Ermöglicht y+ > 1

CFX-Pre - Expressions

Variable Werte, welche Bestandteil von Formeln bspw. für Randbedingungen sein können

Hier wird Einströmgeschwindigkeit uref benötigt

Die Höhe von uref ergibt sich aus der Reynoldszahl:

Re=ρurefd

𝜇=2000

Die Dichte und die Viskosität kann aus den Materials (wie oben festgelegt) entnommen werden. d ist der Zylinderdurchmesser.

Bestimmen Sie die Einströmgeschwindigkeit uref.



Insert

» Expressions, Functions and Variables

- Expression




uref

Wert der Einström-geschwindigkeit mit Einheit [m s^-1]

CFX-Pre – Randbedingungen (1)

Randbedingung definieren

» Insert

- Boundary

» Name Einlass

» OK

Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation

20

CFX-Pre - Einlass definieren (1)

Basic Settings Tab


Boundary Type: Inlet Inlet: Einlassrandbedingung Outlet: Auslassrandbedingung Opening: Kombinierte Ein-/ Auslassrandbdingung Wall: Wand Symmetry: Symmetrie

Location: Bezeichnung des ICEM-Parts (letzter Termin) EINLASS

CFX-Pre - Einlass definieren (2)

Boundary Details Tab


2:Masse und Impuls definiert durch Normal Speed

5: uref

3: Cursor in das Feld setzen

4: Klick auf Enter Expression

1

6

CFX-Pre - Auslass definieren

Erstellen Sie eine Randbedingung „Auslass“ für das ICEM-Part AUSLASS

Typ: Outlet

Boundary Details Tab


Static Pressure: 0 bar ( + 1 atm )

CFX-Pre - Seiten definieren

Erstellen Sie eine Randbedingung „Seiten“ für das ICEM-Part SEITEN

Typ: Symmetry


CFX-Pre - Zylinder definieren


Erstellen Sie eine Randbedingung „Zylinder“ für das ICEM-Part ZYLINDER

Typ: Wall

Boundary Details Tab No Slip Wall: Reibungsbehaftete Wand

Smooth Wall: Glatt, nicht rauh

CFX-Pre – Fernfeld Gruppe 1,2,3,6


Erstellen Sie eine Randbedingung „Fernfeld“ für das ICEM-Part FERNFELD

Typ: Wall

Boundary Details Tab Free Slip Wall: Reibungsfreie Wand

Gruppe 1,2,3,6

CFX-Pre – Fernfeld Gruppe 4


Erstellen Sie eine Randbedingung „Fernfeld“ für das ICEM-Part FERNFELD

Typ: Opening

Boundary Details Tab Opening Pres. and Direction: Relative Pressure: 0 Pa ( + 1atm )

Direction: Normal to Boundary Condition

Gruppe 4

CFX-Pre – Fernfeld Gruppe 5 (1)


Die Randbedingung soll periodisch vorgeben werden.

In CFX keine direkte Randbedingung, sondern ein Interface

Insert

» Domain

Interface

Gruppe 5



Domain Interface:

Gruppe 5

Interface Type: Fluid Fluid Fluid: Strömung Porous: Poröse Domain Solid: Festkörper (Wärmeleitung)

Domain Side 1 und Side 2: Default Domain

nächste Folie

Interface Models Option: Translational Periodicity



Domain Interface:

Gruppe 5

Obere Seite auswählen: Primitive 2D auswählen und überprüfen, ob das Gitter der oberen Seite grün erscheint, sonst anderes Primitive

nächste Folie



Domain Interface:

Gruppe 5

Untere Seite auswählen: Primitive 2D auswählen und überprüfen, ob das Gitter der unteren Seite grün erscheint, sonst anderes Primitive

Apply

CFX-Pre – Initialisierung (1)

Instationäre Simulationen benötigen eine Initialisierung

CFX ist sehr dissipativ Für instationäre Lösung muss eine Anfangsstörung vorgegeben werden

Insert

» Global Initialisation



Global Settings Tab


nächste Folie

2: Cursor in das Feld U setzen

3: Klick auf Enter Expression

1: Geschwindigkeitsfeld: Automatic with Value


Global Settings Tab


U: (step(y/1[m])+0.5)*uref V: 0 [m s^-1] W: 0[m s^-1]

Static Pressure: Automatic with Value Relative Pressure: 0 bar + ( 1atm )

Medium (Turbulenzgrad 5%)

CFX-Pre – Solver Parameter (1)


Doppelklick auf Solver Control

CFX-Pre – Solver Parameter (2)

Basic Settings Tab


High Resolution

Coeff. Loops Iterationsanzahl pro Zeitschritt: 1 - 10

Zeitintegrations-schema

Abbruchkriterium Type: RMS Target: 1E-4

CFX-Pre – Ausgabeparameter (1)


Doppelklick auf Output Control


Trn Results Tab


Trn Results Tab



Selected Variables: Aus Platzgründen nur benötigte Variablen speichern

Velocity, Velocity u, v, w und Eddy Viscosity auswählen

Trn Results Tab



Output Frequency

Option: Time Interval

Time Interval: 0.1s

CFX-Pre - Exportieren

Die getätigten Definitionen müssen zum CFX-Solver exportiert werden


Klick auf Write Solver File

GruppeX.def

CFX-Pre - Schließen

Um Lizenzen zu sparen: CFX-Pre jetzt schließen



CFX - Starten





CFX-Solver – Rechnung starten (1)


Klick auf

Define a new CFX solver run

CFX-Solver – Rechnung starten (2)


Klick auf Öffnen und das Definition-file von vorher laden

Run Mode:

Platform MPI Local Parallel

Mit dem ^ 4 Partitionen auswählen Dies sollte der Anzahl verfügbarer Prozessoren entsprechen. Der Solver teilt die Berechnung somit auf mehrere Prozessoren gleichzeitig auf

Zum Schluss: Start Run

CFX-Solver – Rechnung überwachen (1)


Konvergenzverlauf Out-File

Nachlaufschwingungen beobachten

Workspace

» New Monitor


Y-Impulsfluss auf der Zylinderoberfläche auswählen

» FLOW BOUNDARY Zylinder V-Moment


Simulationszeit auf x-Achse


Vorarbeit der

Auswertung:

Tipp: Durch einen Klick auf die Linie werden die genauen Werte der Variable und der Simulationszeit angezeigt.



Periodendauer T

Und damit Frequenz

CFX-Solver - Simulationsende

Sind die Abbruchkriterien erreicht (Gesamtsimulationszeit), wird der CFX-Solver beendet


Name der Rechnung

Ergebnisdatei hat Endung *.res: G1_002.res

Out-Datei hat Endung *.out: G1_002.out

Alle transienten Ergebnisse haben Endung *.trn und liegen in Ordner mit dem Rechnungsnamen: G1_002/


CFX - Starten





CFX-Post - Starten

Postprocessing mit dem CFX-Post

Sehr leistungsfähig, um Ergebnisse schnell und übersichtlich einzusehen und zu präsentieren


CFX-Post – Simulationsergebnis laden (1)


Name der *.res-Datei

CFX-Post – Ebene (1)

Visualisierung der Geschwindigkeit auf einer Schnittebene bei z = 0.05 m

Location

» Plane


Name zur Unterscheidung verschiedener

Ebenen


Lage der Ebene definieren

» Geometry Tab


Schnittebene XY bei Z = 0.05m


Erscheinungsbild der Ebene definieren

» Color Tab


Mode: Variable Contourplot einer Variable

anzeigen

Variable: Velocity

Apply


Durch Drücken der Taste z Ansicht einstellen

Und Ansicht einpassen durch Klick auf


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