Angewandte numerische Fluiddynamik

Wenn Sie dies lesen, sind Sie wahrscheinlich daran interessiert, sich in der Simcenter STAR-CCM+ Software oder einem anderen CFD-Tool mit der angewandten numerischen Fluiddynamik (englisch Computational Fluid Dynamics, Abk. CFD) zu beschäftigen. Dieser Kurs kann ein erster Schritt zur Verbesserung Ihrer Arbeitsleistung und zur Förderung Ihrer Karriere oder Ihres Bildungsweges sein. Wir haben diesen Kurs entwickelt, um Ihnen zu helfen, das Wissen der Strömungsphysik und numerischen Fluiddynamik zu nutzen, um Strömungs- und Wärmeübertragungsprobleme höchst effizient und professionell zu lösen. In diesem Kurs geht es nicht um Anweisungen zur Verwendung einer bestimmten Software. Für alle in diesem Kurs vorgestellten Simulationen wurde ausschließlich Simcenter STAR-CCM+ verwendet. Dennoch wären die Lernergebnisse dieselben, wenn eine andere öffentliche oder kommerzielle Software verwendet würde, solange sie dieselben Funktionen hat.

• Einführung in die angewandte numerische Fluiddynamik
• In Woche 1 untersuchen wir die Strömung in einem Kanal mit einem halbkreisförmigen Hindernis an der Bodenwand. Dabei werden die grundlegenden Strömungsmodelle (Euler-, Navier-Stokes- und Reynolds-gemittelte Navier-Stokes-Gleichungen), die grundlegenden Merkmale der meisten Strömungen in technischen Anwendungen (Grenzschicht, Scherschicht, Strömungsablösung, Rezirkulationszone) und die Ansätze zur Simulation von Strömungen einschließlich dieser Phänomene vorgestellt. Schließlich werden Möglichkeiten zur Steigerung der Simulationseffizienz und zur Schätzung von Diskretisierungsfehlern vorgestellt.
• Strömungen in Diffusoren und Düsen
• In Woche 2 werden wir uns mit Strömungen in Diffusoren beschäftigen, und Düsen werden untersucht. Dabei handelt es sich um generische Darstellungen divergierender oder konvergierender Querschnitte von Fließwegen, die in vielen technischen Anwendungen zu finden sind. Sowohl bei Diffusoren als auch bei Düsen treten Strömungsablösung und Rezirkulation auf, wenn der divergente/konvergente Winkel ausreichend groß ist. Bei symmetrischen Diffusorgeometrien ist die Strömung oft asymmetrisch, und in Düsen kann es zu Vena Contracta kommen. Diese Phänomene und die Bewertung der Effizienz der Energieumwandlung sowie die Ermittlung der Energieverluste werden erklärt. Die Auswirkungen geometrischer Details (Variation des Expansions-/Kontraktionswinkels, Abrundung der Ecken durch unterschiedliche Radien) und die Absaugung durch Diffusorwände werden ebenfalls analysiert. Es werden detaillierte Studien zur Gitterabhängigkeit von Lösungen durchgeführt und der Effekt des Diskretisierungsgrads auf Konvektionsflüsse wird analysiert.
• Sekundär- und Wirbelströmungen
• In Woche 3 untersuchen wir druck- oder turbulenzinduzierte Strömungen in anderen Richtungen als dem primären Fließweg. Zunächst werden dreidimensionale druckgetriebene Sekundärströmungen in Kanal- oder Rohrbögen detailliert analysiert, gefolgt von der Analyse turbulenzgetriebener Sekundärströmungen in Kanälen mit unrunden Querschnitten. Die Physik hinter diesen Phänomenen wird beschrieben und die Simulationsmöglichkeiten werden erläutert. Als nächstes werden die Strömungen von Hufeisenwirbeln und Spitzenwirbeln analysiert. Auch sie sind generische Darstellungen von Strömungen, die man in zahlreichen praktischen Anwendungen mit Körperübergängen und freien Spitzen findet. Die Strömungsphysik, rechnerische Details (Entwurf eines optimalen Gitters und dessen lokale Verfeinerung, die Wahl der physikalischen Modelle und der Simulationsansatz) werden erklärt.
• Strömungen um einen Kreiszylinder
• In Woche 4 befassen wir uns mit Strömungen um einen Kreiszylinder, wobei Reynolds-Zahlen zwischen 5 und 5 Millionen untersucht werden. Ein Kreiszylinder ist eine generische Darstellung eines schlanken Körpers, der einer Querströmung ausgesetzt ist. Solche Situationen finden sich in vielen praktischen Anwendungen. Abhängig von der Reynolds-Zahl kann die Strömung schleichend, stationär oder instationär laminar, oder turbulent sein. Die Strömungsablösung und Rezirkulation kann viele verschiedene Formen annehmen und zur Wirbelablösung (Karmansche Wirbelstraße) und zum Übergang zu Turbulenzen im Nachlauf, in Scherschichten oder in Grenzschichten auf der Zylinderoberfläche führen. Die Strömungsablösung und Rezirkulation kann viele verschiedene Formen annehmen und zur Wirbelablösung (Karmansche Wirbelstraße) und zum Übergang zu Turbulenzen im Nachlauf, in Scherschichten oder in Grenzschichten auf der Zylinderoberfläche führen. Verschiedene Verfahren zur Simulation turbulenter Strömungen — direkte numerische Simulation, Large-Eddy-Simulation oder Lösung der Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen unter Verwendung verschiedener Turbulenzmodelle — werden vorgestellt und es wird erklärt, welches Verfahren für welche Art von Strömung geeignet ist.
• Strömungen mit Wärmeübertragung
• In Woche 5 werden wir die Wärmeübertragung untersuchen, einschließlich der Wärmeleitung in Festkörpern, der natürlichen und erzwungenen Konvektion in Fluiden und der konjugierten Wärmeübertragung. Ich werde erklären, wie die Wärme zwischen Kontinua an der Feststoff-Fluid-Grenzfläche übertragen wird, was bei laminaren und turbulenten Strömungen anders ist, welche Eigenschaften eines Rechengitters an der Grenzfläche zwischen Fluid und Feststoff wünschenswert sind und warum Prismenschichten an Wänden wichtig sind. Der Unterschied zwischen stabiler und instabiler Schichtung natürlicher Konvektionsströmungen und die Bedeutung der Berücksichtigung der korrekten Temperaturabhängigkeit der Fluideigenschaften werden hervorgehoben. Schließlich wird erklärt, wie die gleichzeitige Wärmeübertragung über mehrere durch Festkörper getrennte Strömungsflüsse optimal simuliert werden kann.