Externe Strömungen sind durch einen in ein Fluid getauchten Volumenkörper gekennzeichnet, der sich relativ zum Körper bewegt. Fast alle technischen Aerodynamikprobleme betreffen externe Strömungen. Beispiele sind bei hohen Geschwindigkeiten vom Rückspiegel eines Fahrzeugs verursachte Geräusche, der Widerstand einer Motorradverkleidung und der Hub eines Flugkörpers. Auch bei Windkanalmodellen wird in der Regel von externen Strömungen gesprochen.
Diese Probleme machen im Allgemeinen die höchste Anzahl von Knoten in einer CFD-Berechnung erforderlich, da die auf die Außenseite der Strömungsdomäne angewendeten Randbedingungen für Geschwindigkeit und Druck Strömungsmerkmale um den eingetauchten Körper herum nicht beeinflussen dürfen.
Berechnung der Domänengröße
Im Allgemeinen muss die Außen- bzw. Fernfeldbegrenzung mindestens 5 bis 10 Sehnen stromaufwärts und 10 bis 20 Sehnen stromabwärts vom Körper entfernt sein. Strömungen mit höheren Reynoldszahlen benötigen Fernfeld-Entfernungen im oberen Bereich dieser Werte.
Vernetzungsstrategie
Zur Beibehaltung von Knoten ist ein relativ umfangreicher Übergang der Elementgrößen im Netz erforderlich. Es kommt häufig vor, dass Elemente auf der Körperoberfläche mehrere tausend Mal kleiner als Elemente im Fernfeld ausfallen. In Autodesk® CFD berechnete Hub- und Zugkräfte sind von der Netzgröße in der Nähe des Körpers abhängig.
Der Übergang muss zur Gewährleistung von Stabilität und Präzision der Lösung störungsfrei erfolgen, und es ist darauf zu achten, dass keine Tetraederelemente mit sehr hohen Seitenverhältnissen erstellt werden. In einigen Fällen ist das Einbetten von Fluidvolumen anhand von Netzverfeinerungsbereichen um das betrachtete Objekt sehr nützlich, um viele Elemente um es herum zu konzentrieren. Auf diese Weise ist ein Übergang des Netzes von sehr kleinen Elementen um das Objekt herum zu größeren Elemente weiter vom Objekt entfernt möglich.
Randbedingungspositionierung
Bei Problemen mit nicht kompressiblen Strömungen und kompressiblen Unterschallströmungen mit Unterschalleinlässen werden Randbedingungen für Geschwindigkeit und Druck auf die Fernfeldbegrenzung angewendet, wie in der folgenden Abbildung dargestellt. Zur Unterstützung der Konvergenz ist es hilfreich, die Randbedingung für die Geschwindigkeit um einen größeren Bereich der Strömungsdomäne als für den Druck festzulegen, wie in der folgenden Abbildung dargestellt:
Wenden Sie Gleitbedingungen auf jegliche Fläche an, die keine Öffnung ist, sofern die Grenzschicht oder Bodeneffekte hinsichtlich der Wand nicht von Interesse sind.
Angriffswinkel
Wenn das Objekt einen Angriffswinkel relativ zur Strömungsrichtung aufweist, sollte eher die Berechnungsdomäne als das Objekt neu ausgerichtet werden. Die Domänenausrichtung sollte so ausfallen, dass die freie Strömungsgeschwindigkeit und die Domänenseiten parallel verlaufen:
Simulationsempfehlungen
Die folgenden Vorgehensweisen werden zur Verbesserung der Präzision bei Berechnungen durch Ziehen empfohlen:
Netz
Der Bereich um das Objekt herum muss mit einem sehr feinen Netz vernetzt werden. Für stromlinienförmigere Körper muss das Netz in der Nähe des Stagnationspunkts des Körpers stark verfeinert ausfallen, um den schnell veränderlichen Koeffizienten des Drucks zu erfassen.
Wandschichten
Geben Sie im Dialogfeld Wandschichten mindestens zehn Schichten an:
- Klicken Sie auf Konfiguration > Modelldefinition > Netzgrößen.
- Klicken Sie im Kontextmenü auf Wandschichten.
- Ziehen Sie den Schieberegler Anzahl der Schichten auf 10.
- Ziehen Sie den Schieberegler Schichtabstufung von Autom. auf 1.5. (Dadurch wird die erste Elementschicht sehr nah an der Wand positioniert, was zur Einhaltung der Y+-Anforderungen des SST-Modells beiträgt.)
Turbulenzmodell
Rufen Sie das Turbulenzmodell SST K-Omega auf:
- Öffnen Sie das Dialogfeld Start, und klicken Sie auf der Registerkarte Physik auf Turbulenz.
- Wählen Sie im Menü Turb.- Modell die Option SST K-Omega aus.
Advektionsschema
Rufen Sie das Advektionsschema ADV5 auf.
- Öffnen Sie das Dialogfeld Start, und klicken Sie auf der Registerkarte Steuerung auf Lösungssteuerung.
- Klicken Sie im Dialogfeld Lösungssteuerungen auf Advektion.
- Wählen Sie in der Liste ADV 5 aus.
Netzadaption
Aktivieren Sie Netzadaption. Mit dieser Option wird das Netz im Verlauf von mehreren Iterationen der Simulation schrittweise verfeinert. Das Ergebnis ist eine netzunabhängige Lösung. Beachten Sie, dass diese Option sehr rechenintensiv sein und länger als eine einfache Ausführung des Netzes dauern kann.
- Öffnen Sie das Dialogfeld Start, und klicken Sie auf die Registerkarte Adaption.
- Aktivieren Sie Adaption aktivieren.
- Erweitern Sie die Liste Zusätzliche Adaption, und aktivieren Sie Y+ Adaption. Reduzieren Sie Max Y+ auf 10, um sicherzustellen, dass das SST-Turbulenzmodell über einen akzeptablen Arbeitsbereich für alle Wandflächen verfügt.
- Aktivieren Sie die Optionen für Ablösen/Rezirkulation, Freie Scherschichten und Externe Strömung.
Konvergenz
Beachten Sie, dass die Konvergenz häufig langsam ausfällt und die Überwachung relativ flache Linien anzeigt, lange bevor sich das Strömungsfeld voll um den Körper ausgebildet hat. Geringe Unterschiede hinsichtlich der Druckverteilung sind möglicherweise bei einfacher Betrachtung der Konvergenzüberwachung nicht sichtbar.
Um die automatische Konvergenzbeurteilung auf "Eng" anzupassen, klicken Sie auf der Registerkarte Steuerung des Dialogfelds "Start" auf Lösungssteuerung. Klicken Sie in der Gruppe "Intelligente Lösungssteuerung" auf die Schaltfläche Erweitert. Verschieben Sie den Schieberegler auf Eng.
Höheneffekte
Um die Auswirkungen von Höhe zu simulieren, wird empfohlen, Tabellen mit atmosphärischen Daten zur Identifizierung von statischem Druck und Temperatur auf Grundlage einer geometrischen und/oder geopotenziellen Höhe heranzuziehen. Anhand von Druck und Temperatur lässt sich die Dichte der Luft berechnen und als eine konstante Eigenschaft festlegen.
Wenn Eigenschaften konstant bleiben (Sie also keine Lösung für kompressible oder thermische Effekte suchen), ist die Dichte der einzige Parameter, der im Materialeditor geändert werden muss. Beachten Sie, dass die tatsächliche Auswirkung, die auf verschiedenen Höhen simuliert wird, die der Reynoldszahl ist.
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