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FH DFachhochschule Düsseldorf
Grundlagen der Strömungssimulation- einfache
Beispiele unter ANSYS - experimentelle
Validierung
Grundlagen der Strömungssimulation- einfache
Beispiele unter ANSYS - experimentelle
Validierung
Betreuer der Diplomarbeit Herr Prof. Dr.-Ing
Kameier Herr Dipl. Ing. Morowka
Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr. 350724 Husam
EL-Kaddousi Matr.-Nr. 350804
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Beispiele unter ANSYS - experimentelle
Validierung
Aufbau der Diplomarbeit
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Beispiele unter ANSYS - experimentelle
Validierung
Auslesen der Daten aus Ansys
Pfad wählen
Größen wählen
Speichern
Excel
Arithmetisch Mitteln
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Beispiele unter ANSYS - experimentelle
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Vernetzung (Meshing)
Viereckselemente
Dreieckselemente
Vernetzungsmethoden

• Free-meshing
• Mapped-meshing

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Beispiele unter ANSYS - experimentelle
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Grundlagen der Strömungssimulation- einfache
Beispiele unter ANSYS - experimentelle
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Space Ratio
mit Space Ratio
ohne Space Ratio
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Beispiele unter ANSYS - experimentelle
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Hinweise zur Netzqualität

• Strukturierte Vernetzung
• Feines Netz
• Seitenverhältnis Viereckselemente 13
• Ein optisch gutes Netz ergibt auch gute
  Ergebnisse

Beispiel für ein strukturiertes Netz
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Numerische Berechnungen am Testfall
Hagen-Poiseuille-Strömung (laminare Rohrströmung)
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Beispiele unter ANSYS - experimentelle
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       Die Hagen-Poiseuille-Strömung in einem
Kanal mit Rechteckquerschnitt
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Darstellung des Strömungsverlaufes
Ausgebildetes Strömungsprofil
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Geschwindigkeits- Vektor-Plot
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Validierung
4.72 4.71 3.78 15.36 1.36 1.99 0.8 0.5 0.3
5 0.13
Anzahl Knoten y-Richtung x-Richtung
Anzahl Iterationen Space Ratio
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Zusatzterm für die Turbulenz
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Validierung
Vorüberlegung der Netzgenerierung und der Anzahl
benötigter Iterationen, für eine turbulente
Strömung, am Beispiel Diffusor.
y
x
Druckverlauf Druckverlauf
Anzahl Knoten in y-Richtung Anzahl Knoten in x-Richtung Anzahl Iterationen Abweichung zur Theorie im Einlaufrohr Abweichung zur Theorie im Diffusor
60 505050 50 0.7 26.0
30 252525 50 0.4 29.6
120 100100100 50 23.7 25.5
60 15050150 50 11.3 17.9
30 15050150 50 4.1 14.6
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Validierung
Erhöhung der Iterationen von 50 auf 3000 Schritte
Druckdifferenz im Diffusor nach 50 Iterationen
delta_p 149.51Pa nach 3000 Iterationen delta_p
149.74Pa und analytisch delta_p 175Pa
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Beispiele unter ANSYS - experimentelle
Validierung
Aufbau der Messstrecke zur experimentellen
Validierung turbulenter Rohrströmungen mit
Einbauten
Rohreinbauten
Diffusor
Messblende
Krümmer
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Beispiele unter ANSYS - experimentelle
Validierung
Betrachtung der charakteristischen
Druckverteilung im Krümmer und der numerischen
Simulation
Ablösung

• Druckabfall am Innenrand
• Druckanstieg am Außenrand

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Beispiele unter ANSYS - experimentelle
Validierung
Betrachtung der charakteristischen
Geschwindigkeitsverteilung im Krümmer und der
numerischen Simulation

• Beschleunigung am Innenrand
• Reduzierung am Außenrand

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Beispiele unter ANSYS - experimentelle
Validierung
Ablösegebiete an den Wänden eines Krümmers
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Beispiele unter ANSYS - experimentelle
Validierung
Vergleich der numerischen, analytischen und
experimentellen Ergebnisse
Stromfadentheorie
Stromfadentheorie1
Stromfadentheorie2
Druckverlust im Krümmer Numerik Stromfadentheorie 1 Stromfadentheorie 2
Experiment Messung 1 13 12 33
Experiment Messung 2 15 15 2
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Beispiele unter ANSYS - experimentelle
Validierung
Betrachtung der charakteristischen
Druckverteilung im Diffusor und der numerischen
Simulation
p1 lt p2
p2
p1
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Beispiele unter ANSYS - experimentelle
Validierung
Betrachtung der charakteristischen
Geschwindigkeitsverteilung im Diffusor und der
numerischen Simulation
c2
c1 gt c2
c1
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Ablösegebiete an den Wänden eines Diffusors
Ablösegebiet
QuelleStrömung und Druckverluste/Walter
Wagner/1997
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Validierung
Vergleich der numerischen, analytischen und
experimentellen Ergebnisse
Stromfadentheorie
Stromfadentheorie1 QuelleStrömung
u.Druckverlust/Walter Wagner/2001/4.Auflage
Stromfadentheorie2 QuelleStrömungslehre/Schade
Kunz/1998/2.Auflage
Druckverlauf Diffusor Numerik Stromfadentheorie 1 Stromfadentheorie 2
Experiment 36 40 52
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Beispiele unter ANSYS - experimentelle
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Vereinfachtes 2-dimensionales Modell einer
Messblende mit unstrukturiertem Netz
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Beispiele unter ANSYS - experimentelle
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Betrachtung der charakteristischen
Druckverteilung in der Messblende und der
numerischen Simulation
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Darstellung der Ablösegebiete anhand des
Geschwindigkeits-Vektor-Plot
Turbulenzmodell Standard k-epsilon
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Validierung
Vergleich der numerischen und experimentellen
Ergebnisse
Abweichung Wirkdruckdifferenz zwischen Experiment
und numerische Berechnung 4 .
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Erprobung der vorhandenen Turbulenzmodelle in
ANSYS, am Testfall Krümmer.
Turbulenzmodell Druckdifferenz ?p Pa von Pos.2 nach Pos.3 Abweichung in zum Experiment
Experiment 189.6 -
Theorie 211.7 11.7
Zero Equation 353.8 86.6
Girimaji 173.5 8.5
k-epsilon 164.3 13.3
RNG 159.5 15.9
Shi-Zu-Lumley 161.9 14.6
New k-epsilon kein Ergebnis kein Ergebnis
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Beispiele unter ANSYS - experimentelle
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Konvergenz-Verhalten in Abhängigkeit der
Iterationsschritte und der damit verbundenen
Berechnungszeit
Testfall Krümmer
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Zusammenfassung
laminare Rohrströmung

• qualitativ gute Ergebnisse
• gut geeignet zur Einführung in die numerische
  Strömungssimulation, da Berechnungen analytisch
  kontrolliert werden können.

turbulente Strömung

• bei Betrachtung der Druckdifferenzen, in den
  berechneten Rohreinbauten, wurden repräsentative
  Ergebnisse geliefert
• bezogen auf die zur Verfügung stehenden
  Turbulenzmodelle wurden bei sich ablösende und
  wieder anlegende Strömungen keine geeigneten
  Turbulenzmodelle gefunden
• bei Ablösung durch scharfe Kanten (am Beispiel
  Messblende) haben sich die Turbulenzmodelle
  etabliert.

Für die Einführung der numerischen
Strömungssimulation, in das Praktikum im Bereich
Strömungstechnik, bietet ANSYS auch durch seine
vielseitige Einsatzmöglichkeit einen geeigneten
Einstieg in die FEM-Berechnung.
Amre EL-Kaddousi Matr.-Nr. 350724 Husam
EL-Kaddousi Matr.-Nr. 350804