CFX Berlin - Strömungssimulation

Strömungssimulation im Kundenauftrag

CFX Berlin bietet Ihnen Geometrie- und Gittergenerierung sowie numerische Strömungsberechnungen auf der Basis des ANSYS CFD-Softwarepakets als Dienstleistung an. Im Rahmen von Simulationsprojekten beraten wir Sie selbstverständlich auch hinsichtlich der Auswertung und richtigen Interpretation der Simulationsergebnisse und entwickeln aufbauend auf den Erkenntnissen gemeinsam mit Ihnen geeignete Optimierungsvorschläge für Ihre Anwendungen.

Bild Arbeitsschritte einer Strömungssimulation mit ANSYS CFX
Strömungssimulation mit ANSYS CFD - Fünf Arbeitsschritte von der Ausgangsgeometrie bis zum Ergebnis

Der mögliche Leistungsumfang in einem Consulting-Projekt umfasst unter anderem:

  • Aufbau von dreidimensionalen Geometriemodellen nach Ihren Konstruktionsunterlagen
  • Erzeugung von dreidimensionalen Rechennetzen
  • Durchführung von Strömungs- und Wärmeberechnungen
  • Auswertung, grafische Aufbereitung und Dokumentation der Ergebnisse sowie Ermittlung von Kennzahlen
  • Beratung bei der Interpretation von strömungsmechanischen Effekten
  • Auslegung und Optimierung von Strömungsmaschinen, -anlagen und -prozessen
  • Erweiterung und Einbau von physikalischen Modellen
  • Software-Entwicklung im Kundenauftrag

Haben wir Ihr Interesse geweckt? Für eine konkrete Anfrage können Sie gern unser Projektanfrageformular verwenden! Die folgenden Punkte geben Ihnen Hinweise, was wir für die Simulation von Ihnen benötigen und was für Entscheidungen wir mit Ihnen treffen. Je mehr und je genauere Informationen Sie uns schon in der Angebotsphase geben, umso besser können wir das Angebot schreiben und dann Ihren Auftrag bearbeiten.

Geometrieimport & Geometriebearbeitung

Für die Erstellung des Simulationsmodells können wir Ihre CAD-Daten direkt einlesen. Mögliche Formate sind:

  • ACIS (*.sat, *.sab)
  • Autodesk Inventor Reader (*.ipt, *.iam)
  • ANSYS BladeGen (.bgd)
  • CATIA V4/V5 Reader (*.model, *.exp, *.session, *.dlv,*.CATPart, *.CATProduct)
  • Creo Parametric (ehemals Pro/ENGINEER) Reader (*.prt, *.asm)
  • GAMBIT (*.dbs)
  • Parasolid /STEP/IGES ((*.x_t, *.xmt_txt, *.x_b, *.xmt_bin,*.stp, *.step,*.igs, *.iges)
  • JT Open (*.jt)
  • Monte Carlo N-Particle (*.mcnp)
  • NX Reader (*.prt)
  • SolidWorks Reader (*.sldprt, *.sldasm)
Bild CAD-Importschnittstellen
ANSYS bietet CAD-Schnittstellen zu den gängigen Systemen
Bild ANSYS CAD-Import
ANSYS bietet CAD-Schnittstellen zu allen gängigen Systemen
Bild: Schaufeldesign mit ANSYS BladeModeler
ANSYS BladeModeler ist eine Spezialsoftware für das Design von beschaufelten Geometrien

Zumeist ist eine Nachbearbeitung der Ausgangsgeometrie notwendig, wenn z.B.

  • das Gehäuse und nicht das Strömungsvolumen mit seinen Ein- und Austrittsflächen beschrieben ist,
  • die Geometrie nicht "sauber" ist, z.B. kleinste Spalte vorhanden sind,
  • sehr kleine Geometriedetails (Bohrungen, Fasen) den Rechenaufwand sehr erhöhen würden, für die Lösung aber keine Rolle spielen oder
  • Symmetrien und Periodizität ausgenutzt werden können, um den Rechenaufwand zu verkleinern.

Unsere Mitarbeiter führen diese Nachbearbeitung im Dialog mit Ihnen durch, so dass für Sie wichtige Details erhalten bleiben.

Bild Geometrieaufbereitung
ANSYS-Software bietet vielfältige Möglichkeiten zur Geometrieaufbereitung

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Auswahl der Vernetzung

Für die Vernetzung Ihrer Geometrie verwenden wir die Produkte ANSYS Meshing und ANSYS Extended Meshing. Hierbei können als Elemente Hexaeder, Tetraeder, Prismen oder Pyramiden gewählt werden. Die Vernetzung mit Tetraedern kann automatisiert erfolgen, wobei die Wandgrenzschichten mit Prismen aufgelöst werden. Die Vernetzung mit Hexaedern ist nur teilweise automatisierbar, dafür können mit weniger Elementen ähnliche Lösungsqualitäten wie mit Tetraedern und Prismen erreicht werden.

Wenn Sie uns keine Vorgaben machen, entscheiden wir aufgrund Ihrer Geometrie und Aufgabenstellung, welche Bereiche mit Tetraedern und Prismen und welche Bereiche mit Hexaedern vernetzt werden sollten.

Vorzugsweise werden dabei Hexaeder-Elemente auf Grundlage einer blockstrukturierten Vernetzung verwendet. Hexaeder-Elemente bieten gegenüber einer unstrukturierten Vernetzung mit Tetraedern und Prismen die Vorteile einer höheren numerischen Effizienz (geringere Rechenzeit, geringerer Speicherbedarf) und einer höheren Ergebnisqualität (geringere numerische Diffusion, bessere Auflösung dünner Grenzschichten) zum Preis eines höheren Aufwands für die Gittergenerierung.
Bei hohen Rechenzeiten, wie sie zum Beispiel bei transienten Berechnungen auftreten, empfiehlt sich die Verwendung von Hexaeder-Elementen, da der höhere Aufwand der Gittergenerierung oftmals durch eine geringere Rechenzeit ausgeglichen wird.
Bei Berechnungen von Grenzschichtphänomenen (Wärme- und Stoffübergang an Wändern) ist eine gute Auflösung der Wandgrenzschichten bis in die Nähe der laminaren Unterschicht der turbulenten Grenzschicht nötig, um die Wärme- und Stoffflüsse exakt ermitteln zu können. Dazu ist eine hohe Anzahl an Elementen notwendig. Dies führt zu einer langen Berechnungsdauer. Um den Rechenaufwand zu reduzieren, empfiehlt sich hier ebenfalls die Verwendung von Hexaeder-Elemente.

 

Beispiele für Elementtypen
Beispiele für mögliche Elementtypen
Bild Grid Rohrgeometrie
unstrukturiertes Rechengitter für komplexe Rohrgeometrie
Bild Rechengitter Radialkolbenpumpe
hybrides Rechengitter für eine Radialkolbenpumpe
Bild: unstrukturiertes Rechengitter Rennradfahrer
Unstrukturiertes Rechengitter Rennradfahrer
Bild Rechengitterbeispiele
Beispiele für die Flexibilität hybrider Rechengittererzeugung mit ANSYS-Software
Bild: hexahedrales Rechengitter Strömungsprofil
Beispiel blockstrukturiertes hexahedrales Rechengitter für ein Rotorblatt

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Auswahl der Modelle

Aufgrund Ihrer Problembeschreibung können wir Ihnen vorschlagen, mit welchen physikalischen und numerischen Modellen Ihre Strömung adäquat beschrieben werden kann. Hierbei stehen häufig mehrere Modelle zur Auswahl, die mit verschiedenem Aufwand unterschiedlich genaue Vorhersagen machen können. So verfügen die ANSYS CFD-Programme z.B. über eine Vielzahl von Turbulenzmodellen:

  • RANS-Modelle (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) erlauben eine statistische Betrachtung der turbulenten Effekte, indem zusätzliche Transportgleichungen, z.B. für die turbulente kinetische Energie k und deren Dissipation ε, gelöst werden. Dies erlaubt die stationäre Abbildung turbulenter Strömungen mit recht groben Gittern, kann aber natürlich nicht alle Facetten der Turbulenz darstellen.
  • Grobstrukturmodelle bilden zumindest große Anteile der turbulenten Strukturen ab und modellieren nur die kleineren Anteile, müssen hierfür aber transient bei ausreichender Gitterfeinheit gerechnet werden. 

Für Mehrphasenströmungen, also z.B. bei Gasblasen in Flüssigkeit oder Flüssigkeitstropfen in Gas, muss entschieden werden, ob die einzelnen Blasen mikroskopisch aufgelöst werden sollen, oder ob ein statistischer Ansatz mit empirischen Reibungstermen ausreichend ist. Sind Phasenübergänge wie Verdampfung wichtig und mit welchem Modell sind diese abzubilden?

Analog stehen mehrere Strahlungsmodelle, mehrere Verbrennungsmodelle oder mehrere Modelle für mehrkomponentige Fluide zur Verfügung. Welches Modell für Ihr Problem geeignet ist und welche Aussagen damit getroffen oder eben nicht getroffen werden können, besprechen wir mit Ihnen und entscheiden dann gemeinsam.

Übersicht zu verschiedensten RANS-Modellen für die statistische Modellierung von Turbulenz
Turbulenzmodelle nach M. Gronau
Klassifizierung vonTurbulenzmodellen zur Grobstruktursimulation nach M. Gronau
Übersicht zu Modellen zur Bescheibung von Stoffgemischen
Bild: Beispiel für Partikelklassen und Darstellung von Erosion
Beispiel für Partikelklassen und Darstellung von Erosion

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Materialeigenschaften & Randbedingungen

Festlegung der Materialeigenschaften

Für alle beteiligten Stoffe (Gase, Flüssigkeiten, Festkörper) benötigen wir die Materialeigenschaften. Bei Fluiden (Gase oder Flüssigkeiten) sind dies Dichte und Viskosität, bei Festkörpern die Dichte; spielen Wärmeübergänge eine Rolle, sind die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmekapazität wichtig, bei größeren Temperaturbandbreiten über den gesamten Temperatur- und gegebenenfalls Druckbereich.

Hinzu kommen je nach verwendeten physikalischen und numerischen Modellen weitere Eigenschaften, z.B. für Strahlung frequenzabhängige Absorptions- und Streuungskoeffizienten, für mehrkomponentige Gase Diffusionskoeffizienten und zusammensetzungsabhängige Eigenschaften, bei Nassdampfsimulationen Sättigungskurven und Realgasmodelle mit den jeweiligen Parametern oder bei elektromagnetischen Effekten die elektrische Leitfähigkeit.

Uns liegt eine umfangreiche Datenbank verschiedenster Stoffe vor, aber natürlich ist nicht jeder Stoff und besonders nicht jedes Stoffgemisch enthalten, so dass wir ggf. Daten von Ihnen benötigen oder ähnliche Stoffe auswählen müssen.

Festlegung der Randbedingungen

Für jeden Rand der Simulation muss festgelegt werden, welches Fluid mit welcher Geschwindigkeit und Temperatur rein- oder rausströmen kann. Je genauer Sie uns diese Angaben liefern können, umso besser kann die Simulation Ihre Anlage abbilden. So ist die Vorgabe des Massenstroms an einem Einlass ausreichend, nur ein genauer Geschwindigkeitsverlauf kann aber z.B. die Grenzschichtbildung oder einen Drall aus der Zuführung berücksichtigen.

Auch hier gilt, dass verschiedene Modelle verschiedene weitere Randbedingungen erfordern: Turbulenzmodelle benötigen i.a. die Turbulenzintensität und die Wirbelviskosität am Einlass, Strahlungsmodelle Emissionsgrade der Festkörperflächen, mehrkomponentige Gemische die genauen Zusammensetzungen.

matdata CO2 RK fine 1bis100bar 350bis1000K 001 cp
Spezifische Wärmekapazität von CO2 nach Redlich-Kwong-Materialmodell in ANSYS CFX
ANSYS CFX-Pre: Darstellung der gesetzten Randbedingungen für ein Simulationsmodell

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Ausgabegrößen & Darstellungen

Eine Strömungssimulation liefert eine große Menge an Daten: Für jeden Gitterpunkt des Rechengebiets und jeden Zeitschritt liegen alle berechneten Größen wie z.B. Geschwindigkeiten, Druck, Temperatur und Zusammensetzung, aber auch deren räumliche und zeitliche Ableitungen und viele andere Größen vor.

Für die richtige Auswertung müssen wir wissen, was Sie wo an Effekten erwarten und sehen möchten oder mit welchen experimentellen Werten, wie z.B. dem Druckverlauf an einer bestimmten Messstelle, Sie die Simulation vergleichen wollen. Wir können entsprechend eher qualitative Darstellungen, z.B. zwei- und dreidimensionale Darstellungen mittels Farbverläufen, Vektoren, Stromlinien oder Isoflächen, und eher quantitative Darstellungen, z.B. die Auftriebspolare einer Tragfläche oder den Zeitverlauf eines Widerstandsbeiwerts, auswählen. Desweiteren ist auch die Auswertung integraler Kennzahlen wie Wirkungsgrad, Druckverlust, Antriebsleistung usw. möglich.

Viele Auswertungen können im nachhinein aus den bestehenden Ergebnissen erfolgen und können im Dialog mit unserem Mitarbeiter nachgefordert werden, einige Auswertungen müssen aber bereits im Modellaufbau berücksichtigt werden, so dass eine frühzeitige Spezifikation wichtig ist.

Screenshot CFD-Post Contour
Grafische Auswertung mittels Contour-Plot
Screenshot CFD-Post Iso Surf
Grafische Auswertung mittels Isoflächen
Screenshot CFD-Post Surf Stream
Grafische Auswertung mittels Stromlinien
Screenshot CFD-Post Table
Ermittlung von Kennzahlen mit Tabellen in ANSYS CFD-Post
Screenshot CFD-Post Report
Erstellung automatischer Berichte in ANSYS CFD-Post
Screenshot CFD-Post Turbo Const Span
Der Turbo-Modus in ANSYS CFD-Post: Darstellung auf konstantem Span
Screenshot CFD-Post Turbo Blade2Blade
Der Turbo-Modus in ANSYS CFD-Post: Darstellung des Schaufelgitters (abgewickelt auf konstantem Span)
Screenshot CFD-Post Turbo Meridional
Der Turbo-Modus in ANSYS CFD-Post: Darstellung im Meridianschnitt (umfangsgemittelte Darstellung)
Screenshot Chart in TurboPost
Quantitative Auswertung am Schaufelprofil einer Axialmaschine mit TurboPost
Screenshot CFD-Post Vergleich
Ergebnisvergleich mit ANSYS CFD-Post: Schallgeschwindigkeit nach Idealgas- und Redlich-Kwong-Modell und deren Differenz

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Ergebnisübergabe & Bericht

Standardmäßig dokumentieren wir die Arbeitsschritte und Ergebnisse in Präsentationen; sie erhalten zu bestimmten Zeitpunkten Zwischenstände im PDF-Format, die Sie bitte bestätigen, damit unsere weitere Arbeit auf einer beiderseits akzeptierten Basis abläuft. 

Zu Projektende erhalten Sie eine Abschlusspräsentation und/oder einen Abschlussbericht, die den gesamten Projektablauf und die Ergebnisse darstellen. Diese Präsentation können wir, wenn Sie dies wünschen, bei Ihnen persönlich oder über das Web vorstellen.

Weitere Ergebnisdaten (z.B. Auftriebspolare als CSV-Datei) sowie die eigentlichen CFD-Daten (Setup und Ergebnisse) können auf Wunsch ebenfalls übergeben werden.

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Validierung mittels Messtechnik

CFX Berlin bietet neben den numerischen Methoden auch messtechnische Untersuchungen an. Durch die Zuhilfenahme von praktischen Messungen lassen sich Randbedingungen für Simulationen ermitteln sowie Ergebnisse aus den numerischen Berechnungen validieren.

Soll beispielsweise nur ein Teil einer Anlage oder Maschine untersucht werden, so ist die Angabe von genauen Randbedingungen unter Umständen nicht ohne weiteres möglich. Wenn Volumenströme, Drücke oder Temperaturen nicht sicher bekannt sind, können Messungen helfen die realen Bedingungen zu klären. So wird die Basis für eine möglichst genaue Berechnung geschaffen.

Wir verfügen über einzeln kalibrierte, hochgenaue Sonden zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten und Temperaturen sowie statischen und totalen Drücken. Neben moderner Messtechnik spielt vor allem deren richtige Anwendung eine wichtige Rolle bei der Qualität der Messwerte. Das strömungsmechanische Fachwissen unserer Ingenieure bildet auch hier den Grundstein für belastbare Ergebnisse.

Bild: Messtechniker im Einsatz
CFX Berlin unterstützt Sie mit moderner Messtechnik bei der Verifikation von Simulationsmodellen und bei der Ermittlung von Randbedingungen. © Bild: Testo AG

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