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
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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
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CFX - Starten
Start Alle Programme
ANSYS ANSYS 14.5 Fluid Dynamics
> CFX 14.5 Working Directory angeben: H:\...
CFX-Pre CFX Solver CFX-Post
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CFX-Pre - Einführung
Dokumentation
CFX-Pre – Neuer Case
File
» New Case
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1 2 3
Je nach Konfiguration muss dieses Feld nicht erscheinen!
CFX-Pre – Gitter einlesen (1)
Gitter einlesen
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Rechtsklick auf Mesh
CFX-Pre – Gitter einlesen (2)
Unstrukturiertes Gitter aus Termin1 (*.cfx5) auswählen
Ort: H:\...\*.cfx5
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Einheit [m]
Open
CFX-Pre – Gitter einlesen (3)
Das Projekt mit eingelesenem Gitter sollte so aussehen
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CFX-Pre – Simulationstyp festlegen (1)
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Doppelklick auf Analysis Type
CFX-Pre – Simulationstyp festlegen (2)
Instationäre (transient) Simulation definieren
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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
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CFX-Pre – Berechnungsgebiet definieren (1)
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Doppelklick auf Default Domain
CFX-Pre – Berechnungsgebiet definieren (2)
Basic Settings Tab
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Fluid ist Luft bei 25° C
Referenzdruck 1 atm
Keine Schwerkraft
Ruhende Domain
CFX-Pre – Berechnungsgebiet definieren (3)
Fluid Models Tab
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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.
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CFX-Pre - Expressions
Insert
» Expressions, Functions and Variables
- Expression
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CFX-Pre - Expressions
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uref
Wert der Einström-geschwindigkeit mit Einheit [m s^-1]
CFX-Pre – Randbedingungen (1)
Randbedingung definieren
» Insert
- Boundary
» Name Einlass
» OK
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CFX-Pre - Einlass definieren (1)
Basic Settings Tab
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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
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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
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Static Pressure: 0 bar ( + 1 atm )
CFX-Pre - Seiten definieren
Erstellen Sie eine Randbedingung „Seiten“ für das ICEM-Part SEITEN
Typ: Symmetry
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CFX-Pre - Zylinder definieren
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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
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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
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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)
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Die Randbedingung soll periodisch vorgeben werden.
In CFX keine direkte Randbedingung, sondern ein Interface
Insert
» Domain
Interface
Gruppe 5
CFX-Pre – Fernfeld Gruppe 5 (2)
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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
CFX-Pre – Fernfeld Gruppe 5 (3)
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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
CFX-Pre – Fernfeld Gruppe 5 (4)
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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
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CFX-Pre – Initialisierung (2)
Global Settings Tab
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nächste Folie
2: Cursor in das Feld U setzen
3: Klick auf Enter Expression
1: Geschwindigkeitsfeld: Automatic with Value
CFX-Pre – Initialisierung (3)
Global Settings Tab
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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)
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Doppelklick auf Solver Control
CFX-Pre – Solver Parameter (2)
Basic Settings Tab
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High Resolution
Coeff. Loops Iterationsanzahl pro Zeitschritt: 1 - 10
Zeitintegrations-schema
Abbruchkriterium Type: RMS Target: 1E-4
CFX-Pre – Ausgabeparameter (1)
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Doppelklick auf Output Control
CFX-Pre – Ausgabeparameter (2)
Trn Results Tab
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Trn Results Tab
CFX-Pre – Ausgabeparameter (3)
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Selected Variables: Aus Platzgründen nur benötigte Variablen speichern
Velocity, Velocity u, v, w und Eddy Viscosity auswählen
Trn Results Tab
CFX-Pre – Ausgabeparameter (4)
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Output Frequency
Option: Time Interval
Time Interval: 0.1s
CFX-Pre - Exportieren
Die getätigten Definitionen müssen zum CFX-Solver exportiert werden
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Klick auf Write Solver File
GruppeX.def
CFX-Pre - Schließen
Um Lizenzen zu sparen: CFX-Pre jetzt schließen
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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-Solver – Rechnung starten (1)
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Klick auf
Define a new CFX solver run
CFX-Solver – Rechnung starten (2)
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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)
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Konvergenzverlauf Out-File
Nachlaufschwingungen beobachten
Workspace
» New Monitor
CFX-Solver – Rechnung überwachen (2)
Y-Impulsfluss auf der Zylinderoberfläche auswählen
» FLOW BOUNDARY Zylinder V-Moment
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Simulationszeit auf x-Achse
CFX-Solver – Rechnung überwachen (3)
Vorarbeit der
Auswertung:
Tipp: Durch einen Klick auf die Linie werden die genauen Werte der Variable und der Simulationszeit angezeigt.
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CFX-Solver – Rechnung überwachen (4)
Periodendauer T
Und damit Frequenz
CFX-Solver - Simulationsende
Sind die Abbruchkriterien erreicht (Gesamtsimulationszeit), wird der CFX-Solver beendet
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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/
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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-Post - Starten
Postprocessing mit dem CFX-Post
Sehr leistungsfähig, um Ergebnisse schnell und übersichtlich einzusehen und zu präsentieren
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CFX-Post – Simulationsergebnis laden (1)
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Name der *.res-Datei
CFX-Post – Ebene (1)
Visualisierung der Geschwindigkeit auf einer Schnittebene bei z = 0.05 m
Location
» Plane
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Name zur Unterscheidung verschiedener
Ebenen
CFX-Post – Ebene (2)
Lage der Ebene definieren
» Geometry Tab
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Schnittebene XY bei Z = 0.05m
CFX-Post – Ebene (3)
Erscheinungsbild der Ebene definieren
» Color Tab
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Mode: Variable Contourplot einer Variable
anzeigen
Variable: Velocity
Apply
CFX-Post – Ebene (4)
Durch Drücken der Taste z Ansicht einstellen
Und Ansicht einpassen durch Klick auf
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