CFD-06. Invertierte Strömung. Turbulenzmodell.

In diesem Beitrag über Computational Fluid Dynamics (CFD) werden wir einen allgemeinen Benchmark der CFD-Analyse durchführen, nämlich die Untersuchung der umgekehrten Strömung nach einer Stufe. Dies zeigt, wie wichtig die Wahl des richtigen Turbulenzmodells bei CFD-Simulationen ist.

Wir werden die Software Acusolve mit dem Hyperworks CFD-Präprozessor verwenden. Zu dieser Studie gibt es auch eine Anleitung in unserem Download-Bereich, in der die einzelnen Schritte ausführlich beschrieben sind.

In diesem Beispiel werden wir nicht den Wärmeübergang untersuchen, sondern uns auf das Geschwindigkeitsfeld und insbesondere auf die Ausdehnung der umgekehrten Strömungszone nach der Stufe konzentrieren. Wir werden die Ergebnisse von zwei für diese Situation geeigneten Turbulenzmodellen vergleichen, dem K-Omega-Modell und dem SST (Shear Stress Transport).

Vorverarbeitung mit Hyperworks CFD

Die Geometrie und die Bedingungen des Falles sind in der folgenden Abbildung zu sehen:

Geometrie des untersuchten CFD-Modells - Strömung nach der Stufe

Um den Fall mit Acusolve simulieren zu können, wird dieser Bereich mit einer Dicke von 0,1 mm versehen, um eine dreidimensionale Geometrie zu erhalten. Als Randbedingungen werden neben dem Einlass und dem Auslass an den angegebenen Positionen Symmetriebedingungen an den Seitenflächen und gleitfreie Wandbedingungen an den übrigen Rändern, einschließlich der Stufe, festgelegt.

Für die Vernetzung legen wir eine durchschnittliche Gesamtelementgröße von 0,1 mm fest und verfeinern den unteren Teil, einschließlich der Stufe, vollständig mit einer Elementgröße von 0,01 mm. Das Bild zeigt ein Detail der Vernetzung im Bereich der Stufe zusammen mit der Zusammenfassung der Hyperworks-Vernetzung.

CFD-Detailvermaschung - Strömung nach dem Schritt

Auflösung und Nachbearbeitung

Nach der Simulation des Modells in beiden vorgeschlagenen Fällen können wir die Geschwindigkeitsergebnisse und damit die von der Analyse vorhergesagte Rückflusszone sehen. Es ist zu erkennen, dass das SST-Modell eine größere Rezirkulationszone vorhersagt.

Strömung nach der Stufe - Vergleich von Turbulenzmodellen

Die Wahl des Turbulenzmodells beeinflusst auch die Konvergenz, die bei dieser Simulation schneller und deutlicher ist, wenn K-Omega aktiviert ist.

Turbulenzmodell

Abschließend werden einige allgemeine Empfehlungen für die Verwendung von Turbulenzmodellen gegeben, um das richtige Modell für eine CFD-Analyse auszuwählen:

  • Spalart-Allmaras: Entwickelt für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt. Gute Effizienz und Konvergenz. Beschränkungen und mögliche hohe Fehler bei dreidimensionalen oder komplexen Strömungen.
  • K-Epsilon: Gutes Verhältnis zwischen Genauigkeit und Geschwindigkeit. Genauer für die Strömung weg von den Wänden. Es gibt drei Varianten:
    • Standard: Konvergenzprobleme, wenn die Wände einen zu großen Einfluss auf das Problem haben, oder starke Krümmung.
    • Realisierbar: Empfohlene Wahl für viele Anwendungen. Geringere Genauigkeit in der Nähe von Wänden.
    • RNG: Am besten für komplexe Strömungen mit geringer Turbulenz. Schlechtere Konvergenz.
  • K-Omega: Beste Beschreibung der Strömung in der Nähe der Wände. Nützlich, wenn Wände in der Strömung von großer Bedeutung sind. Schlechte Ergebnisse fern von Oberflächen. Schlechte Konvergenz in einigen Fällen und sehr abhängig von den Anfangsbedingungen. Nicht sehr empfehlenswert für allgemeine industrielle Probleme.
  • SST: Kombiniert das K-Omega-Modell in der Nähe der Wände mit dem Übergang zu K-Epsilon in den entfernten Zonen. Nützlich bei Wärmeübertragungsproblemen mit Konvektion. Gute Genauigkeit, kann aber Konvergenzprobleme haben.
  • LES (in Acusolve nur für instationäre Analysen verfügbar): Komplexeres Modell. Nützlich bei langsamer Strömung mit erheblicher thermischer Komponente und Auftrieb.
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