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FH DFachhochschule Düsseldorf
Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung
Grundlagen der Strömungssimulation-
einfache Beispiele unter ANSYS
- experimentelle Validierung
Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804
Betreuer der Diplomarbeit:
Herr Prof. Dr.-Ing Kameier
Herr Dipl. Ing. Morowka
2Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804
Aufbau der Diplomarbeit
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Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung
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Auslesen der Daten aus Ansys
Pfad wählen
Größen wählen
Speichern
Excel
Arithmetisch Mitteln
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Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung
Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804
Vernetzung (Meshing)1
X
Y
Z
JUL 21 200401:23:50
ELEMENTS1
X
Y
Z
JUL 21 200401:24:23
ELEMENTS
Viereckselemente Dreieckselemente
Vernetzungsmethoden
•Free-meshing
•Mapped-meshing
5Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350724Husam EL-Kaddousi Matr.-Nr.: 350804
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Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung
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Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung
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„Space Ratio“
mit Space Ratio ohne Space Ratio
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Hinweise zur Netzqualität
•Strukturierte Vernetzung
•Feines Netz
•Seitenverhältnis Viereckselemente 1:3
•Ein optisch „gutes“ Netz ergibt auch „gute“ Ergebnisse 1
X
Y
Z
JUL 21 200401:54:35
ELEMENTS
Beispiel für ein strukturiertes Netz
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Numerische Berechnungen am Testfall Hagen-Poiseuille-Strömung (laminare Rohrströmung)
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Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung
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drdx
dprdu
2
Crdx
dpdrr
dx
dpduu
2
4
1
2
1
dx
dpRC
4
2
22
14
)(R
r
dx
dpRru
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Die Hagen-Poiseuille-Strömung in einem Kanal mit Rechteckquerschnitt
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22
22
1)(
hz
dx
dpzcx
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Ausgebildetes Strömungsprofil
Darstellung des Strömungsverlaufes
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Geschwindigkeits- Vektor-Plot
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Anzahl Knoten y-Richtung x-Richtung Anzahl Iterationen Space Ratio
4.72%
4.71%
3.78%
15.36%
1.36%
1.99%
0.8%
0.5%
0.35%
0.13%
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Turbulenzmodelle in ANSYS
Z ero-equation
N ullg le ichungsm ode ll
G irim a ji
Sh i-Z hu-Lum ley
R NG k-epsilon
N ew k-epsilon
S tandard k-epsilon
Z weigleichungsm ode lle
W irbelv iskositä tsm ode lle
T urbulenzm ode lle
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Vorgehensweise der numerischen Berechnung
Turbulenzm odelle
zeitgem ittelteREYNOLDS-G leichungen
turbulent
Nav ier-S tokesBewegungsgleichung
Num erischeStröm ungsberechnung
der inkom pressiblen F luide
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xxxx
xx
zx
yx
x Zz
c
y
c
x
c
x
pf
z
cc
y
cc
x
cc
2
2
2
2
2
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)()()( 22222zxyxxx cc
zcc
yc
yZ
Zusatzterm für die Turbulenz
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Vorüberlegung der Netzgenerierung und der Anzahl benötigter Iterationen, für eine turbulente Strömung, am Beispiel Diffusor.
x
y
Druckverlauf
Anzahl
Knoten in y-Richtung
Anzahl
Knoten in x-Richtung
Anzahl
Iterationen
Abweichung zur Theorie im Einlaufrohr
Abweichung zur Theorie im Diffusor
60 50+50+50 50 0.7% 26.0%
30 25+25+25 50 0.4% 29.6%
120 100+100+100 50 23.7% 25.5%
60 150+50+150 50 11.3% 17.9%
30 150+50+150 50 4.1% 14.6%
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Druckverlauf Diffusor-System
-200
-170
-140
-110
-80
-50
-20
10
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
L[m]
de
ta_
p[P
a]
1-D Bernoulli mit Verlustterm Kombi_50 Kombi_3000
Diffusor - Eintritt
Diffusor - Austritt
Erhöhung der Iterationen von 50 auf 3000 Schritte
Druckdifferenz im Diffusor:
nach 50 Iterationen delta_p = 149.51Pa nach 3000 Iterationen delta_p = 149.74Pa und analytisch delta_p = 175Pa
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Rohreinbauten
Diffusor Krümmer
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Messblende
Aufbau der Messstrecke zur experimentellen Validierung turbulenter Rohrströmungen mit Einbauten
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Betrachtung der charakteristischen Druckverteilung im Krümmer und der numerischen Simulation
Ablösung
•Druckabfall am Innenrand
•Druckanstieg am Außenrand
Turbulenzmodell: Standard k-epsilon
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Betrachtung der charakteristischen Geschwindigkeitsverteilung im Krümmer und der numerischen Simulation
•Beschleunigung am Innenrand
•Reduzierung am Außenrand
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Ablösegebiete an den Wänden eines Krümmers
keine sichtbaren Ablösegebiete im Plot
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Vergleich der numerischen, analytischen und experimentellen Ergebnisse
Druckverlust im Krümmer Numerik Stromfadentheorie 1 Stromfadentheorie 2
Experiment Messung 1 13% 12% 33%
Experiment Messung 2 15% 15% 2%
2
2cpV
Stromfadentheorie:
Stromfadentheorie1: 14.0
Stromfadentheorie2: 2.0
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Betrachtung der charakteristischen Druckverteilung im Diffusor und der numerischen Simulation
Turbulenzmodell: Standard k-epsilon
p2
p1
p1 < p2
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Betrachtung der charakteristischen Geschwindigkeitsverteilung im Diffusor und der numerischen Simulation
c2
c1
c1 > c2
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Ablösegebiete an den Wänden eines Diffusors
Ablösegebiet
keine sichtbaren Ablösegebiete im Plot
Re = 460000
Quelle:Strömung und Druckverluste/Walter Wagner/1997
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Vergleich der numerischen, analytischen und experimentellen Ergebnisse
Druckverlauf Diffusor Numerik Stromfadentheorie 1 Stromfadentheorie 2
Experiment 36% 40% 52%
2
2cpV
Stromfadentheorie:
Stromfadentheorie1:
Quelle:Strömung u.Druckverlust/Walter Wagner/2001/4.Auflage
13.0
Stromfadentheorie2:
Quelle:Strömungslehre/Schade Kunz/1998/2.Auflage
37.0
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Vereinfachtes 2-dimensionales Modell einer Messblende mit unstrukturiertem Netz
lokale Netzverfeinerung
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Betrachtung der charakteristischen Druckverteilung in der Messblende und der numerischen Simulation
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Darstellung der Ablösegebiete anhand des Geschwindigkeits-Vektor-Plot
Turbulenzmodell: Standard k-epsilon
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Vergleich der numerischen und experimentellen Ergebnisse
Abweichung Wirkdruckdifferenz zwischen Experiment und numerische Berechnung 4 %.
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Erprobung der vorhandenen Turbulenzmodelle in ANSYS, am Testfall Krümmer.
Turbulenzmodell
Druckdifferenz ∆p [Pa]
von Pos.2 nach Pos.3
Abweichung in % zum Experiment
Experiment 189.6 -
Theorie 211.7 11.7
Zero Equation 353.8 86.6
Girimaji 173.5 8.5
k-epsilon 164.3 13.3
RNG 159.5 15.9
Shi-Zu-Lumley 161.9 14.6
New k-epsilon kein Ergebnis kein Ergebnis
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Konvergenz-Verhalten in Abhängigkeit der Iterationsschritte und der damit verbundenen Berechnungszeit
Testfall Krümmer
-
1141
2132
2104
2371
2421
Benötigte Iterationen
-
42.8
68.7
67.4
68.8
8.6
Benötigte Berechnungszeit [h]
Konvergenz bei
- - - New k-epsilon
266MH Prozessor 69 1839 Zero-equation
266MH Prozessor 69 2141 Girimaji
266MH Prozessor 69 2154 RNG
266MH Prozessor 69 2379 Shi-Zhu-Lumley
1.5GH Prozessor 57 16009 k-epsilon
Rechner-Prozessor-Leistung
Berechnungszeit [h]
Anzahl Iterationen Turbulenzmodelle
durchgeführte Iterationsschritte
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Grundlagen der Strömungssimulation- einfache Beispiele unter ANSYS - experimentelle Validierung
Zusammenfassung
laminare Rohrströmung: • qualitativ gute Ergebnisse
• gut geeignet zur Einführung in die numerische Strömungssimulation, da Berechnungen analytisch kontrolliert werden können.
turbulente Strömung: • bei Betrachtung der Druckdifferenzen, in den berechneten Rohreinbauten, wurden repräsentative Ergebnisse geliefert
• bezogen auf die zur Verfügung stehenden Turbulenzmodelle wurden bei sich ablösende und wieder anlegende Strömungen keine geeigneten Turbulenzmodelle gefunden
• bei Ablösung durch scharfe Kanten (am Beispiel Messblende) haben sich die Turbulenzmodelle etabliert.
Für die Einführung der numerischen Strömungssimulation, in das Praktikum im Bereich Strömungstechnik, bietet ANSYS auch durch seine vielseitige Einsatzmöglichkeit einen geeigneten Einstieg in die FEM-Berechnung.