CFD-10. Diffusor. Einfluss der Einlassbedingungen.

Dieser Beitrag zur numerischen Strömungsmechanik (CFD) setzt die Reihe der Beiträge fort, die sich mit der CFD-Simulation von Szenarien befassen, in denen Turbulenzen eine wesentliche Rolle spielen. In diesem Fall erörtern wir die Bedeutung der Definition von Strömungseinlassbedingungen, die der Realität genau entsprechen.

Wir arbeiten wieder mit einem praktisch zweidimensionalen Bereich, da das Gerät eine klare Symmetrie in zylindrischen Koordinaten aufweist. In diesem Fall arbeiten wir mit Hyperworks CFD, um das Modell vorzubereiten, und wir lösen es mit Acusolve. Die Geometrie des Simulationsbereichs ist in der folgenden Abbildung zu sehen.

Geometrisches Modell und Vernetzung für die CFD-Analyse des Diffusors

Modellvorbereitung und Definition der Eingangsbedingungen

Ziel ist es, die Ergebnisse verschiedener Turbulenzmodelle mit einer Reihe von experimentellen Daten zu vergleichen. Die Einlassbedingungen im realen Fall sind nicht einheitlich, aber für die CFD-Simulationen werden wir eine Schätzung der durchschnittlichen Bedingungen am Einlass vornehmen.

Auf diese Weise können wir überprüfen, ob die erzielten Ergebnisse mit dieser Vereinfachung der Realität entsprechen oder ob es notwendig wäre, eine komplexere und realistischere Verteilung zu definieren, bevor die Simulation gestartet wird. Die zu vergleichenden Modelle sind SST, K-omega, Realisable K-Epsilon und Standard K-Epsilon.

CFD-Simulation und Ergebnisse

Die vollständigen Ergebnisse finden Sie in unserem Download-Bereich. Einige Ergebnisse sind auch in Ansys Fluent verfügbar, wo die Bedingungen am Einlass direkt durch Importieren eines Profils der Größen am Einlass platziert wurden. Im Folgenden finden Sie ein Beispiel für die Geschwindigkeitsergebnisse unter Verwendung des SST-Modells in Acusolve.

Geschwindigkeitsergebnisse der CFD-Analyse mit dem SST-Turbulenzmodell

Analyse der Ergebnisse

Um die Ergebnisse der CFD-Simulation mit den Versuchsergebnissen zu vergleichen, wird ein ähnliches Verfahren wie im vorangegangenen Lehrgang durchgeführt. Punktsonden werden entlang der Mittellinie der Bodenwand und an bestimmten anderen Stellen angebracht. Diese Messungen werden in eine Tabellenkalkulation exportiert, wo die Ergebnisse verarbeitet werden, um Diagramme zu erstellen.

Einige repräsentative Koeffizienten und Geschwindigkeitsprofile in bestimmten Abschnitten werden anhand ihrer Definitionen berechnet. Diese werden mit experimentellen Ergebnissen verglichen. Als Beispiel sind die Diagramme der Reibungs- und Druckkoeffizienten unten dargestellt.

In diesem Fall zeigt sich, dass die Anpassung des Reibungskoeffizienten verbessert werden kann, insbesondere im Einlassbereich, aber sobald sich die Strömung entwickelt, wird sie akzeptabel, insbesondere mit dem realisierbaren K-Epsilon-Modell.

Was den Druckkoeffizienten betrifft, so ist die Anpassung im gesamten Bereich bemerkenswert schlecht. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei der Definition des Druckkoeffizienten der repräsentative Druck am Einlass als Wert für die Bemessung verwendet wird. Daher wird der Fehler der mittleren Annäherung am Einlass stark vergrößert.

Aus dieser Studie lässt sich schließen, dass es unerlässlich ist, die Strömungseigenschaften am Einlass zu kennen, bevor eine CFD-Simulation gestartet wird, insbesondere wenn numerische Werte der Strömung jenseits des globalen Verhaltens gewünscht sind. Falls diese Eigenschaften nicht zuverlässig geschätzt werden können, muss das Gebiet so generiert werden, dass die interessierenden Ergebnisse ausreichend weit vom Einlass entfernt sind.

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