CFX Berlin - Workbench

Multiphysik mit der ANSYS Workbench

Die ANSYS Workbench ist die universale Simulationsplattform von ANSYS. Durch Integration aller angebotenen Simulationslösungen (Strömungsmechanik, Strukturmechanik, Elektromagnetik) in eine gemeinsame Oberfläche wird der Anwender befähigt, gekoppelte Berechnungen und Parameterstudien einfach und schnell durchzuführen. Die Workbench bietet dabei ein integriertes Daten-, Parameter- und Dateimanagement, um den Benutzer von administrativen Aufgaben der Berechnung zu entlasten. Dieser kann sich in der ANSYS Workbench vollständig auf die Lösung komplexer, gekoppelter physikalischer Phänomene konzentrieren.

Bild Überblick ANSYS Workbench
Überblick ANSYS Workbench-Simulationsumgebung
Bild: Oberfläche der ANSYS Workbench
Schematische Projektdarstellung in der ANSYS Workbench-Oberfläche
Workflow für Simulationsprojekt einer gekühlten Turbinenschaufel

Übersicht

In die ANSYS Workbench sind alle notwendigen Schritte zur Durchführung einer numerischen Berechnung integriert. Die einzelnen Schritte Geometrievorbereitung, Vernetzung, Aufsetzen, Lösung und Auswertung der Berechnung werden innerhalb der Workbench als aufeinanderfolgende Glieder einer Prozesskette dargestellt. Hierbei stellt der vorhergehende Prozess dem nachfolgenden Prozess aufbereitete Daten zur Weiterverarbeitung zu Verfügung.

Die Vorteile hierbei sind eine Entlastung des Anwenders und die Möglichkeit, die Prozesskette automatisiert durchlaufen zu lassen. Entlastet wird der Anwender dahingehend, dass jegliches Datei-, Daten- und Parametermanagement von der Workbench übernommen wird. So kann zum Beispiel dasselbe Geometriemodell für unterschiedliche Berechnungen (Strömung, Elektromagnetik, Struktur) verwendet werden, ohne dass mehrere Dateien der Geometrie verwaltet werden müssen. Automatisierung der Prozesskette meint, dass nach einer Änderung in einem Prozess die nachfolgenden Prozesse automatisch aktualisiert werden können.

Bild: Oberfläche der ANSYS Workbench
Schematische Projektdarstellung in der ANSYS Workbench-Oberfläche

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Ein-Wege-Kopplung

Im Rahmen einer Ein-Wege-Kopplung werden Ergebnisse einer Berechnung als Randbedingungen in einer weiteren Berechnung verwendet. So ist zum Beispiel möglich, den berechneten Druck aus einer numerischen Strömungssimulation in einer strukturmechanischen Berechnung als Last-Randbedingung zu verwenden. Gleiches gilt auch für Temperaturen beziehungsweise Wandwärmeströme. Dieses Vorgehen vernachlässigt eine mögliche Rückkopplung zwischen beiden Berechnungsprogrammen. Im genannten Beispiel der Lastübergabe zwischen Strömungs- und Strukturberechnung ist dies nur zulässig, solange die Verformung der Struktur hinreichend klein ist.

Zwar beruhen alle numerischen Berechnungsprogramme auf einer räumlichen Vernetzung der betrachteten Bauteile beziehungsweise Volumina, allerdings stellen unterschiedliche Berechnungsprogramme abweichende Anforderungen an die Vernetzung und verwenden meist verschiedene Elementtypen. So sind die Netze in der Strömunsgmechanik oftmals bedeutend feiner, während Netze der Strukturmechanik aufgrund der höheren Ansatzfunktion meist gröber sind. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, die übergebenen Lösungsgrößen zwischen den Netzen zu mappen beziehungsweise zu interpolieren. Die ANSYS-Software achtet bei der Interpolation darauf, dass diese exakt, das heißt profilerhaltend durchgeführt wird.

Workflow für Simulationsprojekt einer gekühlten Turbinenschaufel

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Zwei-Wege-Kopplung

In einer Zwei-Wege-Kopplung wird eine Berechnung durch zwei Berechnungsprogramme iterativ gekoppelt durchgeführt. Wie auch in der Ein-Wege-Kopplung wird das Ergebnis einer Berechnung an eine weitere übergeben. Deren Ergebnisse werden jedoch anschließend wieder an die erste Berechnung transferiert, um deren Lösung zu aktualisieren. Dieses Verfahren wird iterativ durchgeführt, bis die Lösungen beider Berechnungsprogramme konsistent sind. Im genannten Beispiel der Ein-Wege-Kopplung würde nach der strukturmechanischen Berechnung die berechnete Verschiebung an die Strömungsmechanik übergeben werden, um die Form des Strömungsvolumens zu aktualisieren und die Strömung neu zu berechnen. Daraus ergibt sich dann ein neues Druckfeld für die strukturmechanische Berechnung und in Folge eine aktualisierte Verformung. Diese Schritte werden iterativ durchgeführt, bis die Änderung der Verformung und des berechneten Strömungsfelds hinreichend klein ist. Die in der ANSYS-Software verwendeten Kopplungsalgorithmen sind dabei exakt, effizient und stabil.

Video: Fluid-Struktur-Interaktion am Beispiel des Turek-Benchmarks
Video: Fluid-Struktur-Interaktion am Beispiel des Turek-Benchmarks

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Fluid-Struktur-Interaktion

Eine Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) bezeichnet die gekoppelte Berechnung einer Strömung und der umgebenden Struktur. Dabei werden die von der Strömungsberechnung ermittelten Wanddrücke, -schubspannungen, -temperaturen beziehungsweise -wärmeströme in einer strukturmechanischen Berechnung verwendet, um die Bauteilverformung und -beanspruchung zu ermitteln. Mit der Verformung wird wiederum die Strömungsberechnung aktualisiert.

Die ANSYS-Software verwendet den eingangs beschriebenen partitionierten Ansatz, um statische oder transiente mechanische Berechnungen mit stationären oder instationären strömungsmechanischen Berechnungen zu koppeln. Dabei sind wohl Ein-Wege- als auch Zwei-Wege-Kopplungen möglich. Gekoppelt werden der implizite Löser der Strukturmechanik mit den impliziten CFD-Lösern ANSYS CFX oder Fluent. Eine Besonderheit der FSI in der ANSYS Workbench ist, dass strukturmechanischer und strömungsmechanischer Löser mit unterschiedlichem Zeitschritt laufen können. So kann der Zeitschritt in der Strukturmechanik zum Beispiel zur Detektion von sich ändernden Kontakten verringert werden.

Bild: Lamellenventil Stromlinien
Video: Simulation eines Lamellenventils, Darstellung von Stromlinien und "von Mises-Spannung"

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Fluid-Elektromagnetik-Interaktion

Eine Fluid-Elektromagnetik-Interaktion bezeichnet die gekoppelte Berechnung einer Strömung und der elektromagnetischen Vorgänge im Fluid und in der umgebenden Struktur. Dabei wird die von einer elektromagnetischen Berechnung ermittelte Verteilung der Widerstandserwärmung in einer strömungsmechanischen Berechnung verwendet, um den Wärmetransport durch Konvektion, Wärmeleitung und -strahlung zu ermitteln. Dies ist als Ein- und Zwei-Wege-Kopplung möglich. Im Falle einer Zwei-Wege-Kopplung wird das berechnete Temperaturfeld verwendet, um bei temperaturabhängigen Stoffeigenschaften den berechneten Stromfluss und die Spannungsverteilung in der elektromagnetischen Berechnung zu aktualisieren.

Elektromagnetisches Durchmischen einer Säure durch ein externes magnetisches Feld und eine angelegte Spannung zwischen den zylinderförmigen Elektroden; links elektrisches Potential (farbig) und Strompfad, rechts vertikale Geschwindigkeit (farbig) und typische Strömungslinien.

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