CFD-03. Wirbelablösung. Transiente Analyse.

In diesem dritten Beitrag zur numerischen Strömungsmechanik (CFD) betrachten wir ein klassisches Beispiel für eine instationäre Analyse: Wirbelablösung im Kielwasser eines Zylinders. Wir werden wieder den Acusolve-Löser mit seinem Vorprozessor Hyperworks CFD verwenden.

Wir werden die Strömung um einen Zylinder mit einer Reynoldszahl nahe 100 am Einlass untersuchen. Dieses Problem wurde bereits bei zahlreichen Gelegenheiten untersucht, und es ist bekannt, dass die Strömung bei Reynoldszahlen um 100 eine Reihe von Wirbeln freisetzt, wenn sie den Zylinder unter den Bedingungen einer instationären laminaren Strömung passiert.

Das Ziel der Simulation ist es, diese Wirbel und ihre zeitliche Entwicklung zu visualisieren. Die zu befolgenden Schritte sind in der Anleitung in unserem Download-Bereich detailliert beschrieben. In diesem Beitrag werden wir die wichtigsten zu berücksichtigenden Aspekte betrachten.

Modellgeometrie

Zunächst wird das geometrische Modell definiert. Dabei ist darauf zu achten, dass um den Zylinder herum in allen Richtungen genügend Platz vorhanden ist, damit die Randbedingungen die zu untersuchende Strömung nicht beeinträchtigen. In diesem Beispiel ist das Modell für praktische Zwecke zweidimensional. Da Acusolve mit einem dreidimensionalen Modell arbeiten muss, geben wir dem Bereich eine Dicke, die der Elementgröße entspricht, die im Bereich von geringem Interesse verwendet werden soll. Der Simulationsbereich ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Geometrie des gesamten zu untersuchenden Bereichs im Problemfall

Als Domänenmaterial wird für diese Studie ein manuell definiertes Material mit einer Dichte von 1 kg/m3 und einer dynamischen Viskosität von 0,01 Pa-s verwendet. Bei einer Einlassgeschwindigkeit von 1 m/s ist die Reynoldszahl am Einlass gleich 100. Die Symmetriebedingungen werden auf die Seitenflächen gelegt, um die angestrebte Zweidimensionalität widerzuspiegeln.

CFD-Modellvernetzung

Für das Netz wird in den Bereichen von geringem Interesse eine Elementgröße verwendet, die der Dicke entspricht. Als Verfeinerungszonen werden zwei 5 Meter breite Bänder definiert, die auf dem Zylinder zentriert sind, wie in der Abbildung gezeigt.

Detail des Problemnetzes mit den Verfeinerungszonen.

Das Tutorial zeigt auch ein nützliches Verfahren für diese Art von Studie, bei der die instationäre CFD-Simulation das Ergebnis einer entsprechenden stationären Analyse als Anfangsbedingung erhält. Auf diese Weise werden die gewünschten Strömungsinstabilitäten direkt in der Simulation beobachtet, ohne eine erste Phase zu durchlaufen, in der die Strömung allmählich den Zylinder erreicht. In diesem Tutorial wird auch erklärt, wie man die Acusolve .inp-Datei modifiziert und Simulationen vom Terminal aus startet.

CFD-Simulation: Wirbelablösung

Abschließend werden einige Simulationsergebnisse vorgestellt, die die Wirbelablösung aus einer laminaren Strömungssituation zeigen. Die Ergebnisse der Geschwindigkeit und des Drucks im Nachlauf des Zylinders zum letzten Zeitpunkt der Simulation sind in der Abbildung dargestellt. Die Hyperworks CFD-Animation mit dem Post-Processing-Tool ermöglicht es, die Entwicklung zu sehen.

Geschwindigkeit und Druck ergeben sich im Nachlauf des Zylinders, wo die abgelösten Wirbel zu sehen sind.

Im nächsten Beitrag werden wir uns ein Beispiel für eine Mehrphasensimulation mit dem LES-Turbulenzmodell ansehen. Konkret werden wir die NIST Fire Dynamics Simulator (FDS) Software verwenden, um einen Garagenbrand und die Effizienz des Rauchabzugs zu simulieren. Wir werden den Prozess von der Vorbereitung des Modells bis zur Nachbearbeitung der Ergebnisse mit Smokeview erklären.

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