Mit den Modelliermöglichkeiten von "Freie Fläche" können Sie die Schnittstelle zwischen Flüssigkeiten und Gasen dynamisch simulieren. Diese Funktion ist für die Modellierung von Strömungsphänomenen wie Wellen, Schwappen und Ausschütten wesentlich. Es handelt sich um Strömungen, die sowohl in der Natur als auch in einer Vielzahl von Technikanwendungen vorkommen.
Beispiele für Anwendungen mit freien Flächen
Verwenden Sie Freie Fläche, um verschiedene Anwendungen zu simulieren. Hier sehen Sie einige Beispiele:
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Bewegung von Flüssigkeiten in Tanks
- Schwappen: Wie sich eine Flüssigkeit in einem teilweise gefüllten Behälter bewegt.
- Rühren: Wie sich eine Flüssigkeit in einem Tank mit teilweise oder ganz eingetauchten Rührwerken, Lenkblechen und/oder mehreren Einlässen und Auslässen bzw. bei einer Tankbewegung verhält. (Beispiele für Tankbewegungen sind beispielsweise seismische Effekte und mobile Tanks beim Transport.)
- Mischen: Konzentration verschiedener Flüssigkeitsarten
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Wassertransport und Infrastruktur
- Ingenieurbauwerke: Dämme, Abzugskanäle, Überläufe und Wehre
- Ventile: Fluss durch offenen Kanal
- Wassertanks: Füll-/Entnahmezyklen oder durchgehender Zulauf und Ablauf
Einrichten einer Simulation mit freier Fläche
Beim Entwerfen und Erstellen des Modells ist das Modell im Hinblick auf die Flüssigkeit zu entwerfen. Achten Sie darauf, dass die flüssigen Bereich in das CAD-Modell einbezogen werden. Weisen Sie Materialien und Randbedingungen nur auf Basis der Flüssigkeit zu. Betrachten Sie Bereiche mit Gas (Luft) als flüssigkeitsleer.
- Weisen Sie den Teilen, die Fluide enthalten oder enthalten werden, ein flüssiges Material zu. Weisen Sie einem Teil kein Gasmaterial zu, wenn es bereits eine Flüssigkeit enthält oder enthalten wird. Simulation CFD lässt nicht zu, dass mehrere Materialien demselben Teil zugewiesen werden.
- Um anzugeben, wo die Flüssigkeit in den Bereich eintritt, legen Sie eine Randbedingung (Schnelligkeit, volumetrische Durchflussrate) fest.
- Wenn der Bereich bei Zeit = 0 voll oder teilweise voll ist, legen Sie als Anfangsbedingung eine Fluidhöhe fest, um die ursprüngliche Position der Flüssigkeit anzugeben. Erstellen Sie die Geometrie so, dass ein eigenes Volumen für den ursprünglichen Flüssigkeitspegel vorhanden ist. Beachten Sie, dass Sie für den Zugriff auf die Fluidhöhenbedingung den Auswahlmodus auf "Volumen" ändern müssen.
- Wenn der Tank bei Zeit = 0 leer ist, weisen Sie das Flüssigkeitsmaterial dem Volumen zu, weisen aber keine Fluidhöhen-Anfangsbedingung zu. Die Flüssigkeit fließt aufgrund der festgelegten Randbedingungen in den Bereich.
- Vernetzen Sie alle Flüssigkeitsteile und Teile, die von der Flüssigkeit, wenn auch nur zum Teil, eingenommen werden. Die Vernetzungsanforderung für Simulationen von freien Flächen ist hoch. In den Bereichen, in denen die Flüssigkeit und Luft interagieren, ist ein feines Netz erforderlich. Stellen Sie sicher, dass Sie auch an der Flüssigkeits-Gas-Schnittstelle eine feine Netzverteilung definieren.
Simulation CFD führt Simulationen der freien Fläche transient durch und berechnet automatisch den Zeitschritt.
So aktivieren Sie Freie Fläche:
- Öffnen Sie das Start-Dialogfeld (Konfiguration (Registerkarte) > Simulation (Gruppe) > Lösen).
- Klicken Sie auf Freie Fläche auf der Registerkarte Physik.
- Klicken Sie im Dialogfeld Freie Fläche auf Freie Fläche aktivieren.
- Geben Sie die Beschleunigungskräfte an, die auf die Flüssigkeit wirken, indem Sie den Schwerkraft-Vektor einrichten. Sie können mit den Einstellungen für Beschleunigung auch weitere Beschleunigungskomponenten angeben. Diese Befehle sind nützlich für die Simulation von Körperkräften beispielsweise in einem Tank in Bewegung. Für weitere Informationen über das Dialogfeld "Freie Fläche" klicken Sie hier.
- Das ADV 1-Advektionsschema ist vorgabemäßig aktiviert, es ist jedoch empfehlenswert, sich zu vergewissern, dass ADV 1 für die Simulation aktiviert ist. Klicken Sie dazu auf die Registerkarte Steuerung im Dialogfeld Start. Klicken Sie auf Lösungssteuerung, und klicken Sie im Dialogfeld Lösungssteuerungen auf Advektion .... Wählen Sie ADV 1, falls es nicht bereits ausgewählt ist.
Visualisieren der Ergebnisse mit freien Flächen
Nachdem die Simulation mit freien Flächen abgeschlossen ist, können Sie das Ergebnis des Flüssigkeitsvolumens visualisieren.
- Um die Form der Strömung anzuzeigen, klicken Sie mit der rechten Maustaste außerhalb des Modells und wählen Freie Fläche:
- Um die VOF-Ergebnisgröße anzuzeigen, klicken Sie mit der rechten Maustaste und wählen VOF im Menü Ergebnis. Die Flüssigkeits-Gas-Randbedingung wird durch einen VOF-Wert von 0.5 dargestellt.
- Um die Bewegung der Flüssigkeit darzustellen, zeigen Sie VOF als Isofläche an und aktivieren Vektoren:
Einschränkungen der Funktion der freien Fläche
Das Phänomen der freien Fläche deckt eine Vielzahl von physikalischen Anwendungen ab. Allerdings gibt es einige Einschränkungen beim Simulationsmodell. Das Modell "Freie Fläche" simuliert die folgenden Anwendungen nicht:
- Zerstäuber und Düsen
- Luft-Brennstoff-Mischung und -Atomisierung
- Tröpfchen- und Regentransport durch Wind
- Farbhaftung an Wänden
- Flächenspannung
- Belüftung durch Nadellöcher oder schmale Schlitze für Guss- oder Füllsimulationen
Beispiel für eine Simulation mit freier Fläche
Zu Beginn dieses Beispiels ist der Behälter auf der linken Seite voll und der auf der rechten Seite leer. Die Behälter sind durch eine Stützmauer mit einem Tor getrennt, durch das das Wasser von einem Behälter in den anderen fließen kann.
Geometrie: Die beiden Behälter und das Durchflusstor wurden als separate Teile im CAD-System erstellt.
Materialien: Allen drei Teilen ist Wasser zugewiesen.
Randbedingungen: Es gibt keine Einlässe oder Auslässe, da die Strömung im Bereich enthalten ist. Es werden keine Randbedingungen angewendet. Beachten Sie, dass eine Druckbedingung an der Flüssigkeits-Luft-Schnittstelle automatisch angewendet wird, sodass es nicht erforderlich ist, eine zusätzliche Druck-Randbedingung in diesem Modell anzuwenden.
Anfangsbedingungen: Da der Behälter auf der linken Seite zu Beginn mit Wasser voll ist, wenden Sie die Anfangsbedingung Fluidhöhe auf ihn an.
Netzgrößenbestimmung: Verwenden Sie die automatische Größenbestimmung, verfeinern Sie jedoch das Netz in dem Bereich, in dem Luft und Wasser interagieren. In diesem Fall ist dies vor allem am Tor und im rechten Behälter.
Start
- Klicken Sie auf der Registerkarte Physik des Dialogfelds Start auf Freie Fläche und aktivieren Sie Freie Fläche aktivieren.
- Geben Sie einen Schwerkraftvektor an. In diesem Fall wirkt die Schwerkraft in der z-Richtung. Daher legen Sie den Nach Erdanziehungskraft ausgerichteten Einheitsvektor auf 0, 0, -1 fest.
- Auf der Registerkarte Steuerung wird der "Lösungsmodus" automatisch auf "Transient" eingestellt und die "Zeitschrittgröße" automatisch auf 0.01.
- Wenn Sie die Ergebnisse animieren möchten, geben Sie einen Wert für Speicherintervalle > Ergebnisse an.
- Geben Sie die Anzahl der Zeitschritte an (1400 wurden für diese Simulation verwendet), und klicken Sie auf Start.
Ergebnisse:
- Um die Form der Strömung anzuzeigen, klicken Sie mit der rechten Maustaste außerhalb des Modells und dann auf Freie Fläche.
- Um den Füllprozess zu animieren, klicken Sie mit der rechten Maustaste außerhalb des Modells und dann auf "Animation". Klicken Sie im Dialogfeld "Animation" auf "Animieren" und dann auf die Schaltfläche "Wiedergeben". (Wenn Sie keinen Wert für "Speicherintervalle" angeben, können Sie nur den letzten Zeitschritt in der Simulation sehen.
Wie Sie sehen, fließt das Wasser vom linken Behälter in den rechten, bis der Wasserstand in beiden gleich ist.