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Angewandte Strömungssimulation
1. Praktikum
Stefan Hickel
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 3
Zylinderumströmung
Ein runder Zylinder wird quer angeströmt:
Re<<1
schleichende Strömung
Re > 1
erste Ablösung bei Re=9,6
symmetrisches Rezirkulationsgebiet
Re=13
Re=9.6
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 4
Zylinderumströmung
Re≈20-30
das Ablösegebiet wandert weiter stromab, die Strömung ist weiterhin stationär
Re=26
Re=24
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 5
Zylinderumströmung
Rekrit≈42
obere Grenze der Stationarität
an beiden Seiten des Zylinders lösen sich periodisch Wirbel ab
Re≈180
Transition im Nachlauf
wandert mit Re stromauf
Re=28
Re=41
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 6
Zylinderumströmung
Re=2000
ausgebildete Karman‘sche Wirbelstraße
instationär, turbulent
Transition in Scherschicht
ab Re=105
Transition bereits in der Grenzschicht
„Drag Crisis“
Widerstand nimmt ab
Re=2000
Re=10000
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 7
CFD mit ANSYS
ICEM CFD – Gittergenerator
CFX - Pre – Pre-Prozessor
CFX - Solve – Strömungslöser
CFX Post – Post-Prozessor
ICEM CFD
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 8
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
Terminologie Geometrie
» Point:
» Curve:
» Surface:
» Body:
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 9
Gittergenerierung
Terminologie Gitter
» Node:
» Edge:
» Cell-Face:
» Cell:
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 10
Verschiedene Elemente und Zellen:
node bar triangle quad
tetrahedral prism hexahedral
Gittergenerierung
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 12
ICEM CFD - Einführung
Dokumentation
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 13
ICEM CFD - Einführung
Menüleiste
3D-Fenster
Statusfenster
Register
Strukturbaum
Aktionsfenster
ICEM CFD - Register
Geometry
Mesh
Output
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 14
Linien Flächen Objekte löschen
Elementgrößen Density Region Gittergenerierung
Punkte
Exportformat Export
ICEM CFD - Einführung
Standardverhalten der Maus
» Linke Maustaste gedrückt: Freies Drehen im 3D-Viewer
» Rechte Maustaste gedrückt: Drehen
» Mausrad gedrückt: Verschieben
» Mausrad drehen: Zoom
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 15
ICEM CFD - Einführung
Mausverhalten im Auswahlmodus
» Linke Maustaste: Objekt auswählen
» Rechte Maustaste: Letzte Auswahl rückgängig
» Mausrad klicken: Bestätigung der Auswahl
Was tun, wenn das gesuchte Element nicht im Darstellungsbereich liegt?
» Taste F9 unterbricht den Auswahlmodus
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 16
ICEM CFD - Einführung
Nur sichtbare Elemente können ausgewählt werden
» Immer prüfen, ob grüner Haken im Strukturbaum gesetzt ist
Vereinfachung der Auswahl durch Einschränkung im Fenster Select Geometry
» In diesem Beispiel können nur Oberflächen ausgewählt werden!
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 17
Linien Flächen Punkte
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 18
ICEM CFD
Einrichten eines Projektes
- File
- New Project
- Name
- Save
Speicherort im CIP Pool im persönlichem Verzeichnis:
H:\
ICEM Vorbereiten
Anpassung von Modelltoleranzen
» Settings Model/Units
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 19
1E-9
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 20
Schritte zum unstrukturierten Gitter
Erstellung der Geometrie des Berechnungsgebietes
» Besteht aus Punkten, Kanten und Oberflächen
» Muss unbedingt geschlossen sein
» Häufiges Zwischenspeichern sehr empfehlenswert
Auffüllen der Geometrie mit unstrukturiert angeordneten Berechnungszellen
» Automatisierter Prozess
» Vorgaben zu Zellgrößen und –arten an den Oberflächen möglich/nötig
Exportieren des Gitters zur weiteren Verwendung mit CFX
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 21
ICEM CFD – Punkte (1)
Punkte erzeugen
» Register Geometry
» Create Point
22
ICEM CFD – Punkte (2)
Punkt erzeugen mit Koordinaten
1
2
Option XYZ auswählen Apply
Koordinaten angeben
Create 1 Point
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation
ICEM CFD – Punkte (3)
Auf diese Weise die 8 Eckpunkte des umgebenden Quaders des Berechnungsgebietes erzeugen (Koordinaten siehe Folie 6)
Erzeugung des hinteren (z = 0) und vorderen (z = 0.1) Mittelpunktes des Zylinders
Sind Punkte nicht zu sehen: Ansicht anpassen
» Menü View
» Fit
oder
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Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 24
ICEM CFD – Linien (1)
Linie (Curve) zwischen zwei Punkten erzeugen
» Register Geometry
» Create/Modify Curve
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 25
ICEM CFD – Linien (2)
Linie (Curve) zwischen zwei Punkten erzeugen
1
Option From Points auswählen
Anfangs- und Endpunkt anwählen
(siehe nächste Folie)
2
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 26
ICEM CFD – Linien (3)
Anfangs- und Endpunkt auswählen und mit Klick auf Mausrad bestätigen
1 2
3: Mausrad drücken
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ICEM CFD – Kreise (1)
Kreisbögen um einen Mittelpunkt erstellen
» Register Geometry
» Create/Modify Curve
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 28
ICEM CFD – Kreise (2)
Kreisbögen erstellen
1
Option Circle or arc auswählen
Winkelbereich Von 0 bis 360 für vollen
Kreis
2
Mittelpunkt auswählen
(siehe nächste Folie)
Haken setzen und Radius eintragen
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 29
ICEM CFD – Kreise (3)
Mittelpunkt und zwei Kreispunkte (am besten Eckpunkte des Drahtmodells) auswählen
1
2
3
4
Die Punkte 3 und 4 legen die Ebene des Kreises fest. Sie müssen daher Teil der Seitenfläche sein, auf welcher der Mittelpunkt liegt! Hier bieten sich demnach zwei Eckpunkte des Drahtmodelles an.
ICEM CFD – Zylindermantelfläche (1)
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 30
Zylindermantelfläche erstellen
» Register Geometry
» Create/Modify Surface
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 30
ICEM CFD – Zylindermantelfläche (2)
Zylindermantelfläche erstellen
» Sweep Surface
» Punkte wählen
und mit
Mausrad
bestätigen
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 31
1
2: Vector
3
4: vorderer
Punkt
5: hinterer Punkt
nächste Folie
6: Mausrad drücken
ICEM CFD – Zylindermantelfläche (3)
Extrusionskurve wählen (Zylinderkreis) und mit Mausrad bestätigen
Speichern!
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 32
7: vorderer Kreis
8: Mausrad drücken
ICEM CFD – Oberflächen (1)
Oberfläche begrenzt von Kurven erstellen
» Register Geometry
» Create/Modify Surface
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 33
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 34
ICEM CFD – Oberflächen (2)
Oberflächen erstellen
1
Option Simple
Surface
Toleranz möglichst niedrig (0.0001)
Wird die Oberfläche jedoch nicht erstellt, ist die Toleranz zu klein
2
Kanten auswählen
(siehe nächste Folie)
Option From 2-4 Curves
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ICEM CFD – Oberflächen (3)
Die 4 begrenzenden Kanten im Uhrzeigersinn auswählen
Mit Klick auf das Mausrad Auswahl bestätigen
2
3: Mausrad drücken
nächste Folie
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 36
ICEM CFD – Oberflächen (4)
Oberflächen sichtbar machen
» Surfaces markieren
ICEM CFD – Zylinder ausschneiden (1)
Kurve aus Oberfläche ausschneiden
» Register Geometry
» Create/Modify Surface
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 37
ICEM CFD – Zylinder ausschneiden (2)
Oberflächendarstellung ändern auf Solid und Show full (genauere Darstellung)
» Rechtsklick
auf Surfaces
» Auswahl von
- Solid
- Show Full
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 38
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 39
ICEM CFD – Zylinder ausschneiden (3)
Zylinderfläche ausschneiden
» Segment/Trim Surface (1)
1
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 40
Zylinderfläche ausschneiden
» Oberfläche auswählen und mit Mausrad bestätigen
1
2: Mausrad drücken
ICEM CFD – Zylinder ausschneiden (4)
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 41
Zylinderfläche ausschneiden
» Schnittkurve auswählen und mit Mausrad bestätigen
1
2: Mausrad drücken
ICEM CFD – Zylinder ausschneiden (5)
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 42
Zylinderfläche ausschneiden
» Überflüssigen Flächenteil löschen
- Register Geometry
- Delete Surface
ICEM CFD – Zylinder ausschneiden (6)
ICEM CFD – Zylinder ausschneiden (7)
Zylinder ausschneiden – Überflüssige Fläche löschen
» Fläche auswählen und mit Mausrad bestätigen
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 43
1
2: Mausrad drücken
ICEM CFD – Zylinder ausschneiden (8)
Auf diese Weise zweite Seitenfläche beschneiden
Das sollte dann so aussehen…, danach Speichern!
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 44
ICEM CFD – Parts erstellen (1)
Oberflächen werden eindeutigen Parts zugeordnet
Dies dient zum Einen der Zuordnung unterschiedlicher Randbedingungen, zum Anderen kann die Auswertung vereinfacht werden
Auf sinnvolle Benennung sollte geachtet werden
Wir erstellen hier 5 unterschiedliche Parts:
» Einlass
» Auslass
» Seiten
» Fernfeld (obere und untere Quaderfläche)
» Zylinder Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 45
ICEM CFD – Parts erstellen (2)
Zuweisung einer oder mehrerer Flächen zu einem neuen Part
» Rechtsklick auf Parts
» Create Part
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 46
ICEM CFD – Parts erstellen (3)
Zuweisung einer oder mehrerer Flächen zu einem neuen Part
» Part: Einlass
» Alle zum Part
gehörenden
Flächen
auswählen
» Mit Mausrad
bestätigen
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 47
1
2
3: alle zugehörigen Flächen auswählen
4: Mausrad drücken
ICEM CFD - Vernetzung
Nach der Geometrieerstellung kann nun mit der Gittergenerierung weitergemacht werden
Es gibt mehrere Gruppen mit verschiedenen Aufgabenstellungen!
» Mit / Ohne Density Region!
» Bei der Gittererstellung beachten!
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 48
ICEM CFD - Vernetzung
Vorgehen
» Elementgrößen an den Oberflächen vorgeben – Surface Mesh Setup
» Prismenlayer um den Zylinder
» Evtl. Density-Region im Nachlauf
» Gittergenerator starten
» Netz für Ansys CFX exportieren
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 49
ICEM CFD – Surface Mesh Setup (1)
Register Mesh
» Surface Mesh Setup
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 50
ICEM CFD – Surface Mesh Setup (2)
Surface Mesh Setup
» Alle Flächen auswählen und mit Mausrad bestätigen
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 51
1
3: Mausrad drücken
2 Kasten um alles
nächste Folie
ICEM CFD – Surface Mesh Setup (3)
Surface Mesh Setup
» Elementgrößen angeben und Apply
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation
Maximum size: 0.1
Height: 0.1
Min Size Limit: 0.05
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Maximale Elementgröße
Elementhöhe
Minimale Elementgröße
ICEM CFD – Surface Mesh Setup (4)
Erstes Gitter generieren
» Register Mesh
» Compute Mesh
» Volume Mesh
» Compute
» Warten!
» Speichern!
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 53
All
ICEM CFD – Surface Mesh Setup (6)
Das Ergebnis sollte so aussehen (Surfaces abgeschaltet)…
Gittergenerierung abgeschlossen, wenn im Statusfenster „Finished compute mesh“ steht
Nun soll der Zylinder besser aufgelöst werden… Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 54
4811 Elemente
ICEM CFD – Surface Mesh setup (7)
Führen Sie die oberen Schritte NUR an der Zylindermantelfläche und folgenden Parametern durch:
» Maximum Size = 0.01
» Height = 0.01
» Min Size Limit = 0.005
Ersetzen Sie das alte Mesh
bei der Erstellung:
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 55
18494 Elemente
ICEM CFD – Prismenlayer (1)
Ziel ist eine Prismenschicht aus 5 Lagen um den Zylinder
» Register Mesh
- Compute Mesh
- Prism Mesh
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 56
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 57
ICEM CFD – Prismenlayer (2)
Prim Mesh
1
2
Existing
Mesh
Parts aktivieren
Anzahl der Prismen-schichten
Prism Parts Data schließen
3
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 58
ICEM CFD – Prismenlayer (3)
Surface Mesh Setup öffnen und Zylindermantelfläche auswählen (siehe oben)
Folgende Parameter ändern:
» Height = 0.00066
» Height Ratio = 1.5 (Zellwachstum der Prismenschicht)
Apply
4 5
Prismenlayer werden initialisiert (siehe Statusfenster dauert bis „Finished compute mesh“)
nächste Folie
ICEM CFD – Prismenlayer (4)
Register Mesh
» Compute Mesh
» Volume Mesh
- Compute
- Mesh ersetzen
- Speichern!
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 59
Create Prism Layer aktivieren
ICEM CFD – Prismenlayer (5)
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 60
Das Ergebnis sollte so aussehen (Surfaces abgeschaltet)…
Abschließend soll der Nachlauf feiner aufgelöst werden (Vorsicht: nicht alle Gruppen!)
19949 Elemente
ICEM CFD – Density Region (1)
Zur besseren Abbildung des Nachlaufes soll eine Verfeinerung eingebracht werden
Density Region definiert ein Volumen, welches feinere Zellen als das umgebende Berechnungsgebiet enthält
Das Volumen wird über eine oder mehrere Punkte festgelegt
Erstellen Sie also zunächst zwei Punkte mit den Koordinaten (0|0|0.05) und (0.7|0|0.05). z=0.05 liegt in der Domainmitte!
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 61
ICEM CFD – Density Region (2)
Density Region
» Register Mesh
» Create Mesh
Density
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 62
Size = 0.025 Ratio = 1.2 Width = 5
Points
ICEM CFD – Density Region (3)
Density Region
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation
63
2: Punkt in der Zylindermitte
3: hinterer Punkt
1
4: Mausrad drücken
5
ICEM CFD – Density Region (4)
Danach auf herkömmliche Art das Mesh generieren
Dies sollte dann so aussehen…
Speichern!
Jetzt muss das Gitter noch exportiert werden…
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 64
111461 Elemente
ICEM CFD – Export für CFX (1)
Register Output
» Select Solver
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 65
Ansys CFX
ICEM CFD – Export für CFX (2)
Register Output
» Write Input
» Speichern!
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Vorbereitungen
Anmeldung am Windowsrechner
Benutzername und Passwort: Persönliche LRZ Kennung
Domäne: ADS
LRZ Kennung zu finden unter tumonline.de Speicherplatz für persönliche Daten:
Persönlicher Speicher im NAS Filer des LRZ
http://www.lrz.de/services/datenhaltung/online-speicher/ Bitte nicht den Desktop etc. verwenden!
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 68
Lizenzeinstellungen
Alle ANSYS Produkte können im CIP Pool aus dem Startmenü geöffnet werden.
Start Alle Programme ANSYS ANSYS, Inc. License Manager
> Server ANSLIC_ADMIN Utility
Klick auf „Set License Preferences for User …“ in der linken Spalte
Auswahl der Version (14.5)
Stefan Hickel - Angewandte Strömungssimulation 69
Lizenzeinstellungen
Kategorien
1=Lizenz verwenden 0=Lizenz nicht verwenden
Lizenzen
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Lizenzeinstellungen
Folgende Lizenzen müssen verwendet werden:
Solver:
1: ANSYS Academic Teaching Lizenzen
0: Rest
PrepPost:
0: Alle
HPC:
0: Alle
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ICEM CFD - Starten
Start Alle Programme
ANSYS ANSYS 14.5 Meshing
> ICEM CFD 14.5