Str¨omungen in Wasser und Luft - Uni Ulm Aktuelles · Str¨omungssimulation Beschreibung eines...

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Str¨ omungen in Wasser und Luft Str¨ omungssimulationen im UZWR Daniel Nolte arz 2009

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Stromungen in Wasser und LuftStromungssimulationen im UZWR

Daniel Nolte

Marz 2009

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Mathematische StromungsmodelleNavier Stokes Gleichungen (Massenerhaltung, Impulserhaltung, Energieerhaltung)

∂ρ

∂t+ ∇ · (ρ U) = 0

∂(ρ U)

∂t+ ∇ · (ρ U ⊗ U) = −∇p + ∇ · τ

∂(ρ htot)

∂t−

∂p

∂t+ ∇ · (ρ U htot) = ∇ · (λ∇T ) + ∇ · (U · τ)

mit Enthalpie htot = h + 12U2

k-ε-Turbulenzmodell (RANS)

∂ρ

∂t+ ∇ · (ρ U) = 0

∂(ρ U)

∂t+ ∇ · (ρ U ⊗ U) −∇ · (µeff∇U) = −∇p′ + ∇ · (µeff∇U)T

∂(ρ htot)

∂t−

∂p

∂t+ ∇ · (ρ U htot) = ∇ · (λ∇τ +

µt

Prt∇h) + ∇ · (U · τ)

mit gemitteltem Druck p′ = p + 23ρ k + 2

3µt ∇ · U

Darcy’s Gesetz

−∂p

∂xi

KpermUi + Kloss

ρ

2|U|Ui

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Stromungssimulation

Beschreibung eines Stromungszustands durch

I Geschwindigkeit

I Druck

I Dichte

I Temperatur

Weitere berechenbare Großen

I Krafte (z.B. auf Oberflachen)

I Stoffverteilungen (bei Mehrphasenstromungen)

I Energien (z.B. Wirbelstarken)

I . . .

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Klassifizierung von Stromungsproblemen

Unterteilung der Probleme in

I laminare und turbulente Stromungen

I Unter- und Uberschallstromungen

I stationare und transiente Stromungen

I thermische und isothermale Stromungen

I Einphasen- und Mehrphasenstromungen

I Gekoppelte Probleme von Festkorpern und Stromungen

I einseitigI zweiseitig

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Werkzeuge

Losungsmethoden

I Finite-Differenzen-Methode

I Finite-Elemente-Methode

I Finite-Volumen-Methode

Im UZWR verfugbare Software

I Ansys CFX

I Comet

I OpenFOAM

I Eigene Stromungsloser (FLENS)

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Anwendungsbeispiele

Funf praxisnahe Fragestellungen der Stromungsmechanik

1. Simulation einer Schweinestallluftung

2. Abkuhlung von Bauteilen

3. Durchmischung von Flussigkeiten

4. Bewegliche Bauteile in einer Stromung

5. Simulation von freien Oberflachen

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1. Simulation einer Schweinestallluftung

Problem

I Gleichmaßige Durchluftung eines Stalls

I Geringe Stromungsgeschwindigkeiten bei hohem Luftaustausch

Fragestellung

I Wie kann die Beluftung verbessert werden?

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Modell

I Simulation von Stallsegmenten (18m× 10m× 4m)

I Simulation der Stromung duch die Lochplatten

I Problem: Modellierung der Lochplattenoffnungen (ca. 3 cm ∅)

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Teilproblem: Modellierung der Lochplatten

I Modellierung der Lochplatten als poroses Volumen

I Berechnung eines Wiederstandsbeiwertes an einem kleinen Modell

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Ergebnisse

Variation

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2. Abkuhlung von Bauteilen

Problem

I Heiße Bauteile sollen in einer festen Zeit auf eine bestimmte Temperaturabgekuhlt werden

I Dazu werden Bauteile von einem kuhlenden Fluid (Luft, Wasser, . . . )umstromt

Fragestellung

I Ist die gewunschte Abkuhlung erreichbar?

I Wie mussen die Bauteile angestromt werden, damit eine moglichst starkeAbkuhlung erreicht wird?

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Modell

I Abkuhlung von 1000◦ C heißen Enden von Stahlrohren bei gleichmaßigemLuftstrom

I Luftstromung mit 30 ms

(Orkanstarke) und einer Lufttemperatur von 20◦ C

I Luftstrom vom Boden zur Decke

Ziel

I Abkuhlung der Rohre auf Zimmertemperatur

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Ergebnisse

Abkuhlung der Rohre um ca. 400◦C

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Variation der Anstromung

I Wie muss das Rohr angestromt werden?

Variante I: Variante II: Variante III:heißes Ende unten kaltes Ende

Maximale Temperatur nach 15min

ca. 400◦C ca. 450◦C ca. 460◦C

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Erweiterung:Berechnung von thermischen Dehnungen in Bauteilen

I Thermische Dehnungen in einem Schornstein

I Kuhlung durch Umstromung mit kalter Luft

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3. Durchmischung von Flussigkeiten

Problem

I Zwei verschiedene Flussigkeiten werden in einem Gefaß vermischt

I Die Flussigkeiten unterscheiden sich in ihren Eigenschaften (Viskositat,Dichte, Temperatur, . . . )

Fragestellungen

I Wie wird eine gleichmaßige Durchmischung erreicht?

I Wie erhalte ich moglichst undurchmischte Flussigkeiten?

I Wie entmischen sich die Flussigkeiten wenn der Zufluß abbricht?

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Modell

I Zwei Flussigkeiten werden in einem Mixer gemischt 1

I Wasser fließt mit konstanter Geschwindigkeit von 1 ms

ein

I Alkohol wird gepulst mit einer Geschwindigkeit von 10 ms

eingeleitet

1Geometrie aus Turtorial zu Ansys 11

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Ergebnisse

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4. Bewegliche Bauteile in einer Stromung

Problem

I Eine Flussigkeitsstromung wird durch mechanische Bauteile beeinflusst,

z.B.

I Eine Platte erzeugte in einem Fluid eine StromungI Eine Ventilklappe regelt eine Stromung

Fragestellungen

I Wie sieht die erzeugte Stromung aus?

I Welche Belastungen entstehen in den mechanischen Bauteilen?

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Modell

I Eine Platte wird in einem Fluid betrachtet

I Eine Flache der Platte ist fixiert

I Anfangs wird die Platte durch eine Kraft ausgelenkt

I Nach Loslassen schwingt die Platte und erzeugt im Fluid eine Stromung

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Ergebnisse

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5. Simulation von freien Oberflachen

Probleme

I Simulation einer Wasseroberflache

Fragestellungen

I Welche Krafte wirken auf ein schwimmendes Schiff?

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www.uzwr.de