Numerische Strömungsberechnung: Schneller Einstieg in ANSYS CFX 18 durch einfache Beispiele

207 Pages·2018·6.82 MB·German

by  Stefan Lecheler (auth.)

Stefan Lecheler
Numerische
Strömungsberechnung
Schneller Einstieg in ANSYS CFX 18
durch einfache Beispiele
4. Auflage
Numerische Strömungsberechnung
Stefan Lecheler
Numerische
Strömungsberechnung
Schneller Einstieg in ANSYS CFX 18 durch
einfache Beispiele
4., überarbeitete und aktualisierte Auflage
StefanLecheler
FakultätMaschinenbau
UniversitätderBundeswehrMünchen
Neubiberg,Deutschland
ISBN978-3-658-19191-7 ISBN978-3-658-19192-4(eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-658-19192-4
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undMarkenschutz-Gesetzgebungalsfreizubetrachtenwärenunddahervonjedermannbenutztwerdendürften.
DerVerlag,dieAutorenunddieHerausgebergehendavonaus,dassdieAngabenundInformationenindiesem
WerkzumZeitpunktderVeröffentlichungvollständigundkorrektsind.WederderVerlagnochdieAutorenoder
dieHerausgeberübernehmen,ausdrücklichoderimplizit,GewährfürdenInhaltdesWerkes,etwaigeFehler
oderÄußerungen.DerVerlagbleibtimHinblickaufgeografischeZuordnungenundGebietsbezeichnungenin
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Lektorat:ThomasZipsner
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Vorwort
Inzwischen haben die kommerziellen Strömungsberechnungsprogramme wie zum Bei-
spielCFX,FLUENTundSTAR-CDeinensohohenEntwicklungsstandhinsichtlichFle-
xibilität,GenauigkeitundEffizienzerreicht,dasssiefürsehrvieleStrömungsproblemebei
industriellenAnwendungeneingesetztwerden.OhnesiewäreeineeffizienteEntwicklung
neuerFahrzeuge,Flugzeuge,MotorenundTurbinennichtmehrmöglich.
AusdiesemGrundmüssendieEntwicklungsingenieurinnenund-ingenieureheutzuta-
gedieAnwendungvonCFD-Programmen(ComputationalFluidDynamics)beherrschen.
DaschonkleineEingabefehlergroßeAuswirkungenaufdasRechenergebnishabenkön-
nen, sind diese auf jeden Fall zu vermeiden. Hierzu möchte dieses Buch beitragen und
neben den wichtigsten theoretischen Grundlagen vor allem zahlreiche praxisrelevante
TippsundErfahrungenvermitteln.
Dieses Buch entstand aus der Vorlesung Numerische Strömungsberechnung, welche
im Masterstudiengang Computer Aided Engineering an der Universität der Bundeswehr
Münchenangebotenwird.HierlernendieStudierendenanhandvonpraktischenÜbungen
miteinemkommerziellenStrömungsberechnungs-Programmwiedieseszubedienenist,
welcheTheoriedahinterstecktundwiedieErgebnissezuinterpretierensind.IhreAnre-
gungenflossenindasBuchmitein.SowurdezumBeispielaufkomplizierteMathematik
soweitmöglichverzichtetundvielWertaufAnschaulichkeitundVerständlichkeitgelegt.
Danken möchte ich an dieser Stelle allen Betreuern, Kolleginnen und Kollegen, die
mich bei meinen Arbeiten auf dem Gebiet der numerischeStrömungsberechnungunter-
stützthabenamInstitutfürRaumfahrtsystemederUniversitätStuttgart,amvonKarman
Institute in Brüssel, im Labor Thermische Maschinen bei ABB Turbo Systems in Ba-
den/Schweiz, in der Gasturbinenentwicklung bei ALSTOM Baden/Schweiz und an der
UniversitätderBundeswehrMünchen.
Ich freue mich sehr, dass nun die vierte Auflage erscheinen kann. In ihr wurden ein
paar Korrekturen durchgeführt und die drei Übungsbeispiele an die neueste Version
ANSYS18.1angepasst.HierbeiwerdenjetztdirektdieCAD-Dateieneingelesenwiebei
realen Anwendungen. Diese stehen im Internet unter www.unibw.de/mb/fakultaet/we5/
we51/download-cfxzurVerfügung.
V
VI Vorwort
Bedanken möchte ich mich bei den Firmen ANSYS und ISimQ für die Bereitstel-
lung von Beispielbildern, die die Leistungsfähigkeit moderner Strömungsberechnungs-
programmezeigen.EbensodankeichHerrnZipsnerunddemLektoratMaschinenbaudes
SpringerViewegVerlagsfürdieguteUnterstützung.
BadTölz,Juli2017 StefanLecheler
Symbolverzeichnis
Symbol Einheit Bezeichnung
A m2 Fläche,Oberfläche
a m/s2 Beschleunigung
a m/s Schallgeschwindigkeit
CFL – Courant-Friedrichs-Levy-Zahl
c J/kg/K SpezifischeWärmekapazitätbeikonstantemVolumen
v
c J/kg/K SpezifischeWärmekapazitätbeikonstantemDruck
p
dx,dy,dz M SeitenflächendesVolumenelementsdV
P
E J/s Energiestrom
e J/kg SpezifischeinnereEnergie
" m2/s3 TurbulenteDissipation
F N Kraft
F,G,H – FlussvektoreninkartesischenKoordinaten
O O O
F;G;H – FlussvektoreninkrummlinigenKoordinaten
g m/s2 Erdbeschleunigung
h J/kg SpezifischeEnthalpie
I – Einheitsmatrix
P
I N/s Impulsstrom
i,j,k – Netzpunktindexindie3Raumrichtungen
k m2/s2 TurbulentekinetischeEnergie
(cid:2) W/m/K Wärmeleitkoeffizient
Ma – Machzahl
m kg Masse
mP kg/s Massenstrom
NRB – NumerischeRandbedingungen
rE – Divergenz
n – Normalenrichtung
(cid:3) Pas DynamischeViskosität
! m2/s3 TurbulenteFrequenz
PRB – PhysikalischeRandbedingungen
p Pa Druck
VII
VIII Symbolverzeichnis
Symbol Einheit Bezeichnung
(cid:4) – Potential
Q – QuellterminkartesischenKoordinaten
O
Q – QuellterminkrummlinigenKoordinaten
P
Q W Wärmestrom
qP W/kg SpezifischerWärmestrom
R J/kg/K Gaskonstante
(cid:5) kg/m3 Dichte
S J/K Entropie
T K Temperatur
t,(cid:6) s Zeit
U – ErhaltungsvektorinkartesischenKoordinaten,auchallgemeine
Strömungsgröße
O
U – ErhaltungsvektorinkrummlinigenKoordinaten
u,v,w m/s Geschwindigkeitskomponenteninx-,y-,z-Richtung
V,dV m3 Volumen,Volumenelement
P
W W Leistung
x,y,z m KartesischeRaumkoordinaten
(cid:7),(cid:8),(cid:9) – KrummlinigeRaumkoordinaten
Index Bezeichnung
i,j,k Raumrichtungen
x,y,z x-,y-,z-Richtung
n Zeitebene
t Total
w Wand
+ PositiverEigenwert
(cid:2) NegativerEigenwert
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 ZieldiesesBuchs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 AufgabendernumerischenStrömungsberechnung . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3 AufbaudesBuchs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 ErhaltungsgleichungenderStrömungsmechanik. . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1 ZieldiesesKapitels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 HerleitungderErhaltungsgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 Navier-Stokes-Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4 Vereinfachungsmöglichkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3 DiskretisierungderErhaltungsgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.1 ZieldiesesKapitels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2 WasbedeutetDiskretisierung? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3 RäumlicheDiskretisierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4 ZeitlicheDiskretisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.5 Differenzengleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4 Rechennetze. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.1 ZieldiesesKapitels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2 Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.3 StrukturierteRechennetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.4 UnstrukturierteRechennetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.5 Rechennetzadaption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5 Lösungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.1 ZieldiesesKapitels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.2 Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.3 ZentraleVerfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.4 Upwind-Verfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.5 High-Resolution-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.6 VergleichderVerfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
IX
X Inhaltsverzeichnis
6 AblaufeinernumerischenStrömungsberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.1 ZieldiesesKapitels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.2 Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.3 ErzeugungdesRechengebiets(Geometrie). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.4 ErzeugungdesRechennetzes(Netz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.5 VorbereitungderStrömungsberechnung(Setup) . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.6 Strömungsberechnung(Lösung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.7 Auswertung(Ergebnisse) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.8 Validierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.9 EinführungindieÜbungsbeispiele. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.10 DieArbeitsumgebungANSYSWORKBENCH. . . . . . . . . . . . . . . . 116
7 ÜbungsbeispielTragflügelumströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.1 ErzeugungdesRechengebiets(Geometrie). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.2 ErzeugungdesRechennetzes(Netz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
7.3 VorbereitungderStrömungsberechnung(Setup) . . . . . . . . . . . . . . . 124
7.4 BerechnungderStrömung(Lösung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
7.5 Auswertung(Ergebnisse) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
8 ÜbungsbeispielRohrinnenströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
8.1 ErzeugungdesRechengebiets(Geometrie). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
8.2 ErzeugungdesRechennetzes(Netz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
8.3 VorbereitungderStrömungsberechnung(Setup) . . . . . . . . . . . . . . . 152
8.4 BerechnungderStrömung(Lösung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
8.5 Auswertung(Ergebnisse) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
9 ÜbungsbeispielDoppelrohr-Wärmeübertrager . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
9.1 ErzeugungdesRechengebiets(Geometrie). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
9.2 ErzeugungdesRechennetzes(Netz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
9.3 VorbereitungderRechnung(Setup) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
9.4 BerechnungderStrömung(Lösung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
9.5 Auswertung(Ergebnisse) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
10 BeispielParametervariation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
AntwortenzurZielkontrolle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197