Bei einer herkömmlichen CFD-Simulation wird der Bereich in kleine Kontrollvolumina unterteilt. Wenn sich ein Objekt innerhalb dieser Flüssigkeit bewegt (z. B. ein Kolben oder ein Ventil), stimmt das ursprüngliche Netz nicht mehr mit den ursprünglichen Grenzen des Bereichs überein. Diese Situationen sind jedoch in Prozessen und Produkten sehr häufig, weshalb CFD-Simulationen mit beweglichen Elementen für die Industrie von großem Interesse sind.
Zur Durchführung dieser Simulationen werden mobile Netze verwendet, bei denen die Bewegung des Netzes (Verschiebung, Drehung…) definiert werden kann, um sich an Änderungen der Geometrie des Bereichs während der Simulation anzupassen.
Der Hauptunterschied besteht darin, dass im Gegensatz zu einem festen Gitter (bei dem die Flüssigkeit durch unbewegliche Zellen fließt) die Gitterknoten ihre eigene Geschwindigkeit und Bahn haben.
Simulationsmethoden für mobile Netze
Die Wahl der geeigneten Technik hängt von der Art der Bewegung (Rotation, lineare Verschiebung oder komplexe Bahn) und der Art der simulierten Interaktion ab. Die drei gängigsten Methoden zur Lösung des Problems sind:
- MRF (Multiple Reference Frame): Dabei wird das Netz während der Berechnung nicht physisch bewegt, sondern es werden Änderungen am Referenzsystem vorgenommen, um Trägheitskräfte in die Strömungsgleichungen einzubeziehen. Diese Methode wird häufig bei Turbomaschinen (wie Ventilatoren oder Mischern) verwendet, da sie eine schnelle und nützliche Methode für stationäre Analysen ist.
- Stretching Mesh: Obwohl keine neuen Elemente erzeugt werden, verschieben sich die Knoten wie Federn und dehnen oder komprimieren die vorhandenen Zellen, um sich an die definierte Bewegung anzupassen. Es wird hauptsächlich für lineare Bewegungen in begrenzten Bereichen verwendet, da es Interpolationsfehler mit dem Netz des restlichen Umrisses vermeidet. Beispiele hierfür sind Verbrennungsmotoren oder Ventile mit linearer Bewegung.
- Overset Mesh: Basiert auf der Überlagerung unabhängiger Meshes, eines für den Hintergrund und weitere für die Objekte, die sich frei bewegen können, ohne sich zu verformen. Die Meshes tauschen Daten in den sich überlappenden Bereichen durch einen Interpolationsprozess für jeden Zeitschritt aus. Dies ist effektiv für freie Bewegungen oder komplexe Drehungen (wie den Flug einer Drohne). Das folgende Bild zeigt ein Beispiel für einen industriellen Mischer.
Anwendungsbeispiel
Als vereinfachtes Fallbeispiel analysieren wir die Einfahrt eines Zuges in einen Tunnel, um den sogenannten Kolbeneffekt zu bewerten. Während sich das Fahrzeug vorwärtsbewegt, komprimiert es die Luft vor sich und erzeugt eine Längsdruckwelle, die sich mit Schallgeschwindigkeit ausbreitet. Dieses Phänomen erzeugt kritische strukturelle Belastungen und den charakteristischen „Knall” beim Verlassen des Tunnels.
Die Studie wurde unter Verwendung der Stretching-Mesh-Technik in Cradle CFD in einer 2D-Domäne durchgeführt, sodass die Simulation der beweglichen Elemente des Modells auf der progressiven Kompression des Luftvolumens zwischen dem Zug und dem Tunnelausgang basiert.
Im Folgenden werden die Ergebnisse der transienten Analyse des vereinfachten Modells vorgestellt, die die Ausbreitung der Druckwelle, die Bewegung des Zuges und die Verformung des Netzes zeigen.
