Modellierungspraxis

Aus CFD-Wiki

Inhaltsverzeichnis 1 Definition des Problems 1.1 Reduzierung des Problems 1.2 Erstellen der Geometrie 1.3 Bestimmung der Start- und Randbedingungen 2 Auswahl der Modelle 2.1 Solver 2.2 Energiegleichung 2.3 Turbulenzmodelle 2.4 Mehrphasenströmungen 2.5 Reaktive Strömungen 2.6 Strahlung 3 Durchführung der Berechnungen 3.1 Bedeutung der Residuen 3.2 Überwachung einzelner Größen 4 Auswertung 4.1 Datenreduktion 4.2 Graphische Darstellungen 4.3 Verlaufsdiagramme 4.4 Histogramme 4.5 Mittelwerte / Integrierte Werte 5 Validierung

[Bearbeiten] Definition des Problems

[Bearbeiten] Reduzierung des Problems

Keine Modellierungssoftware der Welt ist momentan in der Lage, einen Prozess wirklich bis in alle Facetten komplett abzubilden. Daher müssen Vereinfachungen getätigt werden.

Folgende Überlegungen können zu einer Reduzierung des Problems führen:

• Vereinfachung auf ein stationäres Problem
• Vereinfachung auf ein zweidimensionales beziehungsweise axialsymmetrisches Problem

usw.

Es ist auch die Möglichkeit zu berücksichtigen, dass nur ein Ausschnitt des Problems betrachtet wird, so dass hierdurch wieder eine Vereinfachung erreicht werden kann. Dies kann die Geometrie, die gewählten Modelle und anderes umfassen.

[Bearbeiten] Erstellen der Geometrie

Software: Beispielsweise Gambit

Die Geometrie umfasst zum einen die reine Kontur des untersuchten Objekts und zum anderen das über diese Kontur gelegte Gitter.

[Bearbeiten] Bestimmung der Start- und Randbedingungen

• siehe auch: Startbedingungen
• siehe auch: Randbedingungen
• siehe auch: Rückströmungen

[Bearbeiten] Auswahl der Modelle

[Bearbeiten] Solver

Fluent:

• Solver: pressure based / density based
• Formulation: implicit / explicit
• Space: 2D / Axisymmetric / Axisymmetric Swirl / 3D
• Time: steady / unsteady
• Velocity Formulation: absolute / relative
• Gradient Option: Green-Gauss Cell Bases / Green-Gauss Node Based / Least Squares Cell Based
• Porous Formulation: Superficial Velocity / Physical Velocity

[Bearbeiten] Energiegleichung

Je nach Fall kann die Energiegleichung berücksichtigt oder vernachlässigt werden.

[Bearbeiten] Turbulenzmodelle

• siehe auch: Turbulenzmodelle

[Bearbeiten] Mehrphasenströmungen

Hierbei ist zu entscheiden, ob die Mehrphasenströmung über das Euler-Euler-Modell oder über das Euler-Lagrange-Modell abzubilden ist. Letztere bietet gute Ergebnisse für vergleichsweise geringe Volumenanteile der diskreten Phase, und ist auch in der Lage, Korngrößenverteilungen darzustellen.

[Bearbeiten] Reaktive Strömungen

Auch hier sind verschiedene Modelle möglich. Diese sind unter Reaktionsmodelle aufgeführt.

[Bearbeiten] Strahlung

Es stehen verschiedene Strahlungsmodelle zur Auswahl:

• Rosseland
• P1
• Discrete Transfer
• Surface to Surface
• Discrete Ordinates

[Bearbeiten] Durchführung der Berechnungen

[Bearbeiten] Bedeutung der Residuen

[Bearbeiten] Überwachung einzelner Größen

Da die Residuen allein keine Auskunft über die tatsächliche Konvergenz der Rechnung geben, ist es in den meisten Fällen unerlässlich, mindestens eine weitere Größe zu beobachten. In modernen Solvern wird diese Möglichkeit meist gegeben.

Dabei gibt es verschiedene Varianten. Bei chemischen Reaktionen eignet sich beispielsweise die Austrittstemperatur eines Reaktors relativ gut. Andere Möglichkeiten sind Austrittsgeschwindigkeiten oder ähnliches, aber auch über den gesamten Reaktor oder bestimmte Bereiche davon gemittelte Werte.

Konvergieren diese dann gegen einen konkreten Wert, so kann man von Konvergenz ausgehen. Dabei müssen natürlich auch wirklich die geeigneten Werte überwacht werden, und die Wahl dieser Werte regelmäßig hinterfragt werden.

[Bearbeiten] Auswertung

[Bearbeiten] Datenreduktion

Um aus der gewonnenen Datenmenge nutzbare Informationen zu gewinnen, ist es unbedingt notwendig, eine Datenreduktion durchzuführen. Dabei spielen mehrere Faktoren eine Rolle:

1. Welche Informationen benötige ich überhaupt?
2. An welchen Stellen im System benötige ich diese?
3. Zu welchem Zeitpunkt (bei instationären Simulationen) benötige ich die Informationen?

[Bearbeiten] Graphische Darstellungen

Übliche graphische Darstellungen von Ergebnissen haben die Form von zwei- oder dreidimensionalen Feldern, Vektordarstellungen oder Strömungspfaden.

[Bearbeiten] Verlaufsdiagramme

Verlaufsdiagramme sind eine der einfachsten Möglichkeiten, Ergebnisse einer CFD-Berechnung darzustellen. Dabei wird der Verlauf einer bestimmten Größe über eine gewählte Achse beschrieben. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Symmetrieachse oder einen Rohrquerschnitt handeln.

[Bearbeiten] Histogramme

Histogramme stellen den Verlauf einer bestimmten Größe nicht über den Ort, sondern über die Zeit dar. Dies kann zum Beispiel bei der Auswertung von Aufenthaltszeiten von Partikeln in einem Rohr genutzt werden.

[Bearbeiten] Mittelwerte / Integrierte Werte

Häufig liegen gemessene Werte zur Beurteilung nur in gemittelter Form (zeitlich oder örtlich) vor. Diese Mittelungen lassen sich auch für die CFD-Berechnung durchführen. Dabei sind drei Formen der Mittelwertbildung üblich: einfache Mittelung über alle berücksichtigten Zellen, Mittelung über die Zellen mit Wichtung nach der Zellgröße, Mittelung über die Zellen mit Wichtung nach dem Massendurchfluß. Der zweite Fall ist beispielsweise für mittlere Geschwindigkeiten relevant, der letzte beispielsweise für Konzentrationen.

[Bearbeiten] Validierung

Anhand von geeigneten Messmethoden sind die gewonnenen Ergebnisse einer Validierung zu unterziehen. Eine klassische Methode ist beispielsweise die Laser-Doppler-Anemometrie.

Da es jedoch nicht bei allen Anwendungsfällen möglich ist, diese zu nutzen (beispielsweise bei Hochtemperaturprozessen), muss eine Validierung unter Umständen mit anderen Methoden durchgeführt werden.