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© INNEO Solutions GmbH
Matthias Heinz
Test Drive CFD
Erste Erfahrungen mit Fluent
Inhalt und Ziele
• Eine kurze Einführung / kein Training
• Simulations-Workflow
• Programm-Interfaces
• Grundlegende Konzepte
• HandsOn workshops
Sie werden einen ersten Eindruck von Fluent bekommen
Für einen effektiven Einsatz sind tiefergehende Trainings sinnvoll
Inhalt Test Drive vs. Trainings
Der Test Drive zeigt Ihnen nur einen kleinen Teil der Möglichkeiten:
• Fluent standalone ANSYS Workbench
• Geometrieaufbereitung SpaceClaim
• Fluent Meshing ANSYS Meshing
• Modellerstellung und Berechnung einzelne Betriebspunkte
Parametriesierung / Design Points / Optimierung
• Auswertung in Fluent Auswertung in CFD Post
Sie bekommen einen ersten Einblick in die Möglichkeiten von Fluent
Das tatsächliche Einsatzspektrum ist erheblich größer
Einleitung
Thema:
• Die Vorgehensweise ist immer ähnlich
• Es sind immer die gleichen Schritte notwendig
Lernziel:
• Wie funktioniert CFD?
• Was sind die grundlegenden Schritte?
Wenn Sie ein eigenes CFD-Projekt angehen, wissen Sie wie die einzelnen
Schritte funktionieren und können entsprechend planen
Was ist CFD?
CFD (Computational Fluid Dynamics) = numerische Strömungsmechanik
Eine Methode zur näherungsweise Lösung der Gleichungen von
Massenstrom, Impuls, Energie usw.
Man erhält detaillierte Informationen zu:
• Verteilungen von Druck, Geschwindigkeit,
Temperatur usw.
• Kräften, wie Widerstand, Auftrieb usw.
• Phasenverteilungen wie gasförmig-flüssig
usw
• Speziesverteilungen inkl. Reaktionen,
Verbrennung, Schadstoffe …
• …
In allen Phasen des Entwicklungsprozesses:
• Konzeptstudien bei Neuentwicklungen
• Vorentwicklung
• Serienentwicklung
• Troubleshooting
• Life Cycle Management
• Optimierungen
• Neudesign
CFD ergänzt Tests und Experimente durch Reduzierung von Aufwand und Kosten
ANSYS CFD basiert auf der Finiten Volumen Methode (FVM):
• Das Berechnungsgebiet wird in Finite Volumen unterteilt
• Die benötigten Transportgleichungen (z.B. für Masse, Impuls, Energie,
Spezies …) sind innerhalb dieser Finiten Volumina (approximativ) zu
lösen
• Die partiellen Differentialgleichungen 2. Ordnung werden dazu in
algebraische Gleichungen überführt
• Diese algebraischen Gleichungen werden dann numerisch,
näherungsweise gelöst, um die Verteilungen der Größen (Druck,
Geschwindigkeit, Temperatur …) zu bestimmen
Wie funktioniert CFD?
𝜕
𝜕𝑡
𝑉
𝜌𝛷𝑑𝑉 +
𝐴
𝜌𝛷𝑉 ∙ 𝑑 =
𝐴
𝛤𝛷𝛻𝛷 ∙ 𝑑𝐴 +
𝑉
𝑆𝛷𝑑𝑉
Zeitabhängig Konvektion Diffusion Quellterm
Kontroll-
volumen
Gleichung ΦKontinuität 1
X-Impuls u
Y-Impuls v
Z-Impuls w
Energie h
….
Schritte der CFD-Berechnung
• Transportgleichungen
• Masse
• Massenanteile
• Phasenanteile
• Impuls
• Energie
• Zustandsgleichungen
• Berücksichtigung physikalischer
Modelle
• Physikalische Modell
• Turbulenz
• Verbrennung
• Strahlung
• Mehrphasen
• Phasenübergang
• Bewegte Netze
• Randbedingungen
• Initialisierung
• Material-
eigenschaften
• Datenbank
• Löserein-
stellungen
• Vernetzung• Geometrie-
bearbeitung
• Auswertung
• Alphanumerisch
• Grafisch
• Animationen
• …
• Ergebnisse
Auswahl
Parameter
Auswahl
Algorithmus
Automatismus
Wenn
gewünscht
Preprocessing Preprocessing / Solving Postprocessing
Anwender
Programm
CFD-Analyse – grundsätzliche Vorgehensweise
Aufgabenstellung erfassen und Preprozessing: [SpaceClaim & ANSYS- oder Fluent-Meshing]
1. Ziel der Simulation beschreiben
2. Notwendigen Raum ausschneiden
Sinnvolle Grenzen / Fluidraum
3. Geometrie vereinfachen, falls notwendig
4. Berechnungsgitter erzeugen
Modellaufbau und Berechnung: [Fluent]
1. Definition von Modellen, Materialien und Randbedingungen
2. Wenn nötig, Lösereinstellungen wählen
3. Definition von Lösungsmonitoren
4. Berechnung und Beurteilung der Konvergenz
Postprozessing / Auswertung: [Fluent oder CFD-Post]
1. Alphanumerische Auswertung (Mittelwerte, Integrale …)
2. Grafische Auswertung (Vektoren, Konturen, Pfadlinien …)
3. Beurteilung von Plausibilität und Konvergenz
4. Wenn nötig, Modell anpassen
CAD-Geometrie Fluidraum
Modellgrenzen Berechnungsgitter
Konturen und Pfadlinien
ANSYS Fluent Arbeitsablauf
Menüleiste
Grunddaten
(Domain)
• Dateien einlesen /
schreiben
• Gitterqualität
• Polyederkonvertierung
(optional)
• Transformationen
(z.B. Skalierung)
• Einheitensysteme
Modellerstellung
(Physics)
• Modelle (Turbulenz,
Energie, Phasen…)
• Materialien
• Randbedingungen
Berechnung
(Solution)
• Reports (Residuen,
Mittelwerte, Integrale,
Kräfte, Momente …
• Initialisierung
• Berechnung
• Konvergenzkriterien
Auswertung
(Results)
• Grafisch (Konturen,
Vektoren, Isoflächen,
Pfadlinien, x-y-Plots …
• Alphanumerisch
(Bilanzen, Massen-,
Volumenströme,
Mittelwerte, Integrale …)
ANSYS Fluent Arbeitsablauf (Alternativ)
Bau
mm
en
ü
Modellerstellung (Setup)
• Modelle (Turbulenz, Energie, Phasen…)
• Materialien
• Randbedingungen
Berechnung (Solution)
• Reports (Residuen, Mittelwerte, Integrale, Kräfte, Momente …
• Initialisierung
• Berechnung
• Konvergenzkriterien
Auswertung (Results)
• Grafisch (Konturen, Vektoren, Isoflächen, Pfadlinien, x-y-Plots …
• Alphanumerisch (Bilanzen, Massen-, Volumenströme, Mittelwerte, Integrale …)
Berechnung und Konvergenz
• Die Gleichungen sind nicht geschlossen lösbar Iteration
• Konvergenz ist erreicht wenn
• Die Änderungen der Variablen (Residuen) vernachlässigbar sind
• Die Bilanzen (Masse, Energie …) erfüllt sind
• Die interessierenden Größen (Druckverlust, Kräfte …)
stationäre Werte erreicht haben (Monitorpunkte)
• Die Genauigkeit der konvergierten Lösung hängt ab von
• Der Auswahl der physikalischen Modelle
• Den getroffenen Annahmen
• Der Netzauflösung
• Der numerischen Genauigkeit
Auswertung der Ergebnisse
• Überprüfen auf Plausibilität
• Grafisch:
• Wie ist das grundsätzliche Strömungsverhalten?
• Gibt es Ablösungen?
• Wie sind die detaillierten Verteilungen?
• Alphanumerisch:
• Kräfte und Momente
• Mittelwerte, z.B. Wärmeübergangskoeffizienten
• Flächen- oder Volumenintegrierte Werte
• Bilanzen
Beispiel Rohrverschneidung
Vernetzung
Sie gehen erste Schritte mit dem Fluent-Meshing
• Einfache Bedienung
• Viel voreingestellt
• Qualitativ hochwertige Netze
• Sie können viel tiefer in die Vernetzung eingreifen
• Alternativ können Sie das ANSYS-Meshing in der Workbench nutzen
Grundlagen Vernetzung
• Aufgaben der Vernetzung
• Die Gleichungen werden in allen Zellen gelöst
• Der Strömungsraum muss dazu in diskrete Zellen unterteilt werden
• Anforderungen an die Vernetzung
• Effizienz und Genauigkeit
• Feine Auflösung / kleinere Zellen bei hohen Gradienten
• Grobe Auflösung größere Zellen anderswo
• Qualität
• Genauigkeit und Stabilität hängen von der Gitterqualität ab
Ablauf der Vernetzung
Import Geometrie
Modifikation Vernetzung Berechnung
SpaceClaim Fluent
Vernetzungsmethoden - Gittertypen
Die Vernetzung erfolgt über vordefinierte
Workflows
• Weitgehend automatisch
• Fehlertolerant
• Mit hoher Qualität und Geschwindigkeit
Hexaeder
Tetraeder mit Randschichten Polyeder mit Randschichten
Empfehlung zur Gitterqualität
• Das Gitter sollte ein Mindestmaß an Qualität aufweisen
• Die Anforderungen an die Qualität kann von Aufgabe, Physik und Geometrie abhängen
• Grundsätzlich sollte die Orthogonalität den Wert von 0.1 nicht unter- oder die Skewness
den Wert von 0.95 nicht überschreiten
Cell Zones und Boundary Zones
Zellen werden gruppiert in cell zones
Flächen werden gruppiert in face zones
Faces zones an Rändern sind boundary zones
Cell zone condition:
Bedingung in einem Volumen
Boundary condition:
Bedingung an einem Rand
Beispiele für „Cell Zone Conditions“
Bedingungen, die auf alle Zellen einer Region wirken
Fluid- und Solidbereich bei Wärmetransport Zonen mit bewegten Bauteilen
Randbedingungen an internen oder externen Flächen
„Boundary Conditions“
Positionierung von Randbedingungen
Symmetriebedingung
Symmetrierandbedingung durch „Symmetry Plane“
• Keine weitere Angabe notwendig
• Sowohl Geometrie, als auch das Strömungsbild muss symmetrisch sein
• Geschwindigkeit normal zur Fläche gleich NULL
• Gradienten aller Variablen normal zur Fläche gleich NULL
Periodische Randbedingungen
Sich wiederholende Strukturen realisieren durch „Periodic Boundary Condition“
• Es wird nur ein Teilbereich abgebildet
• Die Wiederholung kann rotatorisch oder translatorisch seibn
Beispiel Wärmetauscher
Lösungsprozedur
Lösungsmonitore
Residuenmonitor
• Zeigt den Berechnungsfortschritt
• Bei Erreichung der Zielgrössen wird die Berechnung beendet
Variablenmonitore
• Zeigt an, ob sich die interessierenden Variablen noch ändern
• Sind als Zahlenwerte oder Grafik darstell- und speicherbar
Berechnung durchführen
Stationär
• Eingabe der Anzahl der Iterationen
• Wenn ein Konvergenzkriterium erreicht ist, stoppt die Berechnung
• Die Berechnung kann zu jeder Zeit angehalten und wieder gestartet werden
Transient
• Eingabe der Anzahl der Zeitschritte und Zeitschrittweite
ReportsFlux Reports - Bilanzen
• Die Bilanzen sollten weitgehend erfüllt sein, z.B. die Massenstrombilanz
< 1% des geringsten Teilmassenstrom durch eine Randbedingung
Surface Integrals – Abgeleitete Werte auf Flächen
• Mittelwerte, Summen, Integrale, Max- / Minwerte jeder Variablen
Volume Integrals – Abgeleitete Werte in Zonen
• Mittelwerte, Summen, Max- / Minwerte jeder Variablen
Grafische Auswertung in Fluent
Post-Processing direkt im Fluent
• Isoflächen
• Vektorbilder
• Farbige Konturen
• Pfad- Stromlinien
• XY-Plots
• Animationen
• Szenarien
Die Daten liegen im Speicher:
Keine Wartezeiten für read/write
Turbulenz
Wahl des richtigen Turbulenmodells
Es stehen viele verschiedene Modelle zur Verfügung
Für jeden Einsatzzweck ist das richtige dabei
Das Realizable k-ε oder das SST-k-ω Modell ist für die meisten Standardfälle die beste Empfehlung
Wärmeübergang
Mehrphasenströmungen
Verschiedene Ansätze der Mehrphasenmodellierung
Speziestransport, chemische Reaktionen und Verbrennung
Spezieskonzentrationen
• Gas- oder Flüssigmischungen
Reaktionen
• Volumetrisch
• Partikel- / Wandreaktionen
• Elektrochemie
Verbrennung
• Ganz-, teilweise oder Nicht-vorgemischt
• Schnelle oder Langsame Chemie
• Vereinfachte oder detaillierte Chemie
Beispiel Flowmeter
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
© INNEO Solutions GmbH