Angewandte Strömungssimulation

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Angewandte
Strömungssimulation
1. Vorlesung
Stefan Hickel
Was diese Veranstaltung nicht beinhaltet…
•  kein Kurs über die zugrundeliegende Kontinuumsmechanik
Ø  Fluidmechanik, …
•  keine tiefgreifende Behandlung von Phänomenen der
Transition und Turbulenz
Ø  Turbulente Strömungen, …
•  keine Anleitung zur Analyse oder Entwicklung numerischer
Methoden
Ø  Grundlagen der
numerischen Strömungsmechanik
•  kein Photoshop-Kurs
Sondern:
•  An Ingenieursanwendungen orientierter Überblick und Einstieg
in die Bedienung kommerzieller CFD-Software.
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation
2
Inhalt der Vorlesungsreihe
•  Einführung in die numerische Strömungsmechanik
•  Grundgleichungen und Kennzahlen
•  Turbulenz und Modellierung
-  RANS
-  LES
•  Numerische Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen
-  Rechengitter und Randbedingungen
-  Finite-Volumen Methode
-  explizite und implizite Diskretisierungsverfahren
-  Stabilität, Fehler der Numerik und der Modellierung
•  Darstellung der Rechenergebnisse
•  Kritische Bewertung der Verlässlichkeit
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Inhalt der Vorlesungsreihe
Rechnerpraktikum mit ANSYS - CFX und ICEM
•  Prozesskette mit ICEM und CFX
•  Kármánsche Wirbelstraße
•  Tragflügelumströmung
Freies Üben und Experimentieren
•  ICEM Tutorials
•  CFX Tutorials
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Organisatorisches
Zeit
Wir sehen uns jeden Dienstag 13:15-14:45
Ort
Vorlesung:
in Interimshörsaal 1
Übung:
in HS1 in Garching-Hochbrück
startet erst am 7. Mai
Mehrere Gruppen, je 40 Teilnehmer:
1.
Mittwoch 12:30 – 14:00
2.
Mittwoch 14:30 – 16:00
3.
Mittwoch 16:30 – 18:00
4.
Mittwoch 18:30 – 20:00
Website
www.aer.mw.tum.de ... Lehre ... Sommer ... CFD
E-mail
sh @tum.de
5
Note
Es gibt zwei Teilprüfungen:
-  Der Vorlesungsstoff wird schriftlich mittels Kurzfragen geprüft (60%
der Note).
Termin: letzte Vorlesung.
-  Die im Praktikum erlernten Fähigkeiten sollen in einem kleinen
Gruppen-Projekt am Ende des Semesters angewendet werden
(40% der Note).
Termin: Abgabe bis Ende Semesterferien.
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Einführung in die
numerische
Strömungsmechanik
Geschichte der Numerischen
Strömungsmechanik
•  Rosenhead 1931: numerische Simulation von Scherschichten
•  Oberflächeninstabilität
wurde untersucht
•  Simulation wurde
„per Hand“ durchführt
•  Aufrollen der Scherschicht
ist erkennbar
•  nur 4 Zeitschritte
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Strömungsmechanik
Tafelanschrieb:
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Strömungsmechanik
•  Apelt 1951, und Payne 1958:
FD-Simulation Zylinderumströmung
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Strömungsmechanik
•  Smagorinsky 1963:
Wirbelviskositätsmodell → Stabilisierung von
Wettersimulationen
•  Harlow & Welch 1965:
freie Oberflächen → Marker-and-Cell
•  Jones & Launder 1972:
RANS Turbulenzmodell → k-ε Modell
•  Peskin 1972:
Immersed Boundary Method →
nichtkontinuierliche Probleme auf kartesischen Gittern
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Strömungsmechanik
•  Caretto 1972: SIMPLE Algorithmus
(SIMPLE := Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)
→ Iterative Bestimmung von Druck und Geschwindigkeitsfeld
•  Chorin 1973: Projektionsmethode für inkompressible Strömungen
→ nicht divergenzfreies Geschwindigkeitsfeld wird mit Hilfe einer
Poissongleichung für den Druck korrigiert
•  Cebeci & Smith 1974: RANS Turbulenzmodell
•  Baldwin & Lomax 1978: RANS Turbulenzmodell
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Strömungsmechanik
•  Leonard 1979: QUICK Schema (Quadratic Upwind
Interpolation)
•  Patankar 1980: SIMPLER (SIMPLE-Revised)
•  Rhie & Chow 1983: Rhie-Chow Interpolation
•  Van Doormal & Raithby 1984: SIMPLEC (SIMPLE-Consitent)
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Strömungsmechanik
•  Wilcox 1988: RANS Turbulenzmodell → k-ω Model
•  Germano 1990: selbstregulierendes WirbelviskositätsFeinstrukturmodell für Large-Eddy Simulationen
•  Menter 1994: RANS Turbulenzmodell → SST Modell
•  Stolz & Adams 1999: LES Turbulenzmodell → ADM Modell
•  Wallin & Johansson 2005: RANS Turbulenzmodell → EARSM
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ANSYS-CFX
•  CFX gehört seit 25 Jahren weltweit zu den dominierenden
Lösungen für anspruchsvolle Strömungssimulation
•  70er-Jahre: UK Atomic Energy Agency entwickelt Software zur
Strömungssimulation für die Sicherheitsanalyse
•  80er Jahre: Rechenprogramm FLOW3D wird durch
Tochterfirma AEA-Technology vertrieben
•  1995 Umbennennung in CFX-4
•  1998 AEA-Technology fusioniert mit ASC - Advanced Scientific
Computing, dem Entwickler von TASCflow
•  1999 Beginn des Vertriebs von CFX-5
•  2002 Fusion mit ANSYS
•  2006 Fusion von ANSYS und Fluent
•  2014 ANSYS CFD 15.0 - es gibt immer noch CFX und Fluent...
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CFD-Simulationen erlauben vorher
nie dagewesene
Einblicke
in die Bewegung der Fluide:
•  alle Feldgrößen liegen vor und können direkt ausgewertet
werden
•  dies führt zu einem besseren Verständnis von
Strömungsproblemen
•  Preiswert (wenn man gerade einen großen Rechner hat)
•  Ungefährlich
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Simulation einer vollständigen Gasturbine
Medic, You und Kalitzin(2006)
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Zoom in eine turbulente Grenzschicht
LES der druckinduzierten Ablösung einer turbulenten
Grenzschicht an einer ebenen Platte
Visualisierung kohärenter Strukturen mittels Q-Kriterium,
Ablöseblase mittels Isofläche u=0.
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Rayleigh Jet Breake-Up
Albina, Muzaferija und Peric (2000)
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Kavitation auf NACA-Profil
pin = 600 bar
Iso-surfaces α ≥ 5%
S
pmax ≈ 250 bar
Sheet and cloud cavitation on suction side
Experiment(*)
--
Simulation(**)
Collapse induced shocks at trailing edge
NACA 0015, AoA=6°, chord=0.13 m, span=0.3
m, water, uin=30 m/s, pexit=4.5 bar, σref=1.0
Inviscid Flow Simulation (Euler-Equations)
24 million cells, ΔtCFD = 8.5*10-8 s
5 periods ~ 0.05 s ~ 0.5 mio time steps ~ 4 weeks
on 192 cores
Conditions do not match – only
qualitative comparison possible!
(*) Kawanami, Y., Kato, H., Yamaguchi, H.
(1998)
(**) Schmidt, S and Thalhamer, M. (2011)
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Kavitation in Mikrodüsen
low Δp
(pexit=115 bar)
high Δp
(pexit=55 bar)
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Überschall Freistrahl
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Überschall Freistrahl (unterexpandiert) - CFX
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Überschall Freistrahl (überexpandiert) - CFX
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Numerische Strömungsmechanik
•  CFD vereinfacht das Design:
- 
einfache aber langwierige Experimente können ersetzt werden
- 
Lösungen zu Problemen, die gefährlich sind, oder die
experimentell nicht zu bekommen sind
(Feuer, Ausströmen von giftigen Substanzen - Schiffshavarie im
Hafen, sehr heiße Flüssigkeiten und Gase)
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Ariane-5 ECA flight 164
© ESA, 2005
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Numerische Strömungsmechanik
•  CFD vereinfacht das Design:
- 
einfache aber langwierige Experimente können ersetzt werden
- 
Lösungen zu Problemen, die gefährlich sind, oder die
experimentell nicht zu bekommen sind
(Feuer, Ausströmen von giftigen Substanzen - Schiffshavarie im
Hafen, sehr heiße Flüssigkeiten und Gase)
•  Wie vertrauenswürdig sind die erzielten Resultate?
Ariane-5 ECA flight 164
Stefan
© ESA,Hickel
2005 - Angewandte Strömungssimulation
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CFD =
Computational Fluid Dynamics
oder
Colorful Fluid Dynamics
?
Periodic Hill Flow
•  aktuelles Beispiel aus dem akademischen Bereich
•  ERCOFTAC Testfall 9.2 – dient zum Vergleich numerischer
Verfahren
•  Ablösung an gekrümmter Oberfläche
•  Relevant für fast alle technischen Bereiche
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Periodic Hill Flow
•  Einfache Geometrie, einfache Randbedingungen
•  Komplexe, instationäre Wirbelstrukturen
•  Kelvin-Helmholtz Instabilität
•  Görtler-Instabilität
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Periodic Hill Flow
• 
• 
• 
• 
akademischer Code (TU München)
Grobstruktursimulation (LES) von T. Kempe
3.2 Millionen Gitterpunkte, Rechenzeit ca. 700 CPUh
Reynoldszahl 10595
•  Stromlinien (zeitlich gemittelt)
•  Ablösung bei x/h≈0.22 - Wiederanlegen bei x/h≈4.4
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Periodic Hill Flow
•  CFX
•  2D RANS
•  Nullgleichungsmodell
(Algebraische Gleichung für Wirbelviskosität)
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Periodic Hill Flow
•  CFX
•  2D RANS
•  Spalart-Allmaras-Modell
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Periodic Hill Flow
•  CFX
•  2D RANS
•  Zweigleichungsmodell k-ε •  Stromlinien (zeitlich gemittelt)
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Periodic Hill Flow
•  CFX
•  2D RANS
•  Zweigleichungsmodell Wilcox k-ω •  Stromlinien (zeitlich gemittelt)
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Periodic Hill Flow
•  CFX
•  2D RANS
•  Menter-SST-Modell
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Periodic Hill Flow
•  CFX
•  2D RANS
•  Reynoldsspannungsmodell von
Speciale, Sarkar und Gatski (SSG)
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Periodic Hill Flow
relativ einfache geometrische Konfiguration
niedrige Reynoldszahl und inkompressible Strömung
zur Zeit nur mit hohem Aufwand berechenbar
Resultate sehr stark abhängig von Gebietsauflösung und
numerischem Verfahren
•  starke Unterschiede bei verschiedenen
Codes und Modellen
• 
• 
• 
• 
Daher stets kritische Betrachtung der Resultate
bei numerischen Simulationen !
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Noch ein Beispiel...
Shocktrain in einem divergenten Kanal [Giglmaier et al.]
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Vorgehensweise zur numerischen Lösung
eines Strömungsproblems
Physikalisches
Strömungsproblem
Wissen und
Erfahrung
physikalische
Modellierung
Physikalisches Modell
mathematische
Modellierung
Mathematisches Modell
Rechenprogramm
Simulation
Numerische Lösung
Diskretisierung
Algebraisches Gleichungssystem
Fehlerabschätzung
Validierung
Algorithmisierung
Lösungsalgorithmus
Programmierung
Sensibilitätsanalyse
Auswertung
Strömungsphysikalisches Ergebnis
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Testfall Zylinderumströmung
3D Nachlaufströmung hinter einem Zylinder, Re = 100
•  von großem technischen Interesse:
Kabel, Pipelines, Schornsteine
•  großskalige Wirbelstrukturen und instationäre Ablösegebiete
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Kármánsche Wirbelstraße
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Angewandte Strömungssimulation

Transcription

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