Die hier vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, Ingenieure und Studenten aus dem Bereich Verfahrenstechnik auf die Durchführung von Overset Mesh-Simulationen vorzubereiten und deren Grundlagen zu erläutern. Als Form der Wissensvermittlung dient dabei ein Tutorial, durch welches die einzelnen Arbeitsschritte und Einstellungen verständlich gemacht werden sollen. Gegenstand des Tutorials ist ein Rührwerk. Dieses besteht aus einem Rührbehälter und zwei Rührorganen, deren Rotationsbereiche überlappen.
Im vergangenen Verlauf der CFD Geschichte stellte die Simulation von mehreren bewegten Objekten und dessen Interaktionen eine erhebliche Herausforderung für die Berechnungsingenieure dar. Das Problem hierbei war die Notwendigkeit eines miteinander verbundenen Rechengitters zwischen den bewegten Objekten. Für die physikalischen Zeitschritte musste das Gitter immer wieder manuell aktualisiert werden. Dieser Prozess war in der Praxis sehr aufwendig und für große Bewegungsintervalle oder eng aneinander bewegte Teile war eine Simulation sogar oft unmöglich.
Das CFD Werkzeug STAR-CCM+ der Firma CD-adapco hat seit der Version v7.02 die sogenannte Overset Mesh-Technologie eingebaut, die bisher mit jeder neuen Produktversion weiter optimiert und ausgebaut wurde. Das Overset Mesh (manchmal auch "Overlapping" oder "Chimera" Mesh genannt) erlaubt dem Nutzer jeweils ein individuelles Rechennetz um jedes bewegte Objekt zu generieren. Während der Simulation bzw. Berechnung bewegt sich das Overset Mesh mit dem jeweiligen Objekt im Background Mesh und die Zwischenergebnisse am Rand des Overset-Bereiches werden in einer Überlappungszone mit den Daten des Background Mesh interpoliert.
Diese Technologie ermöglicht dem Simulationsingenieur die Behandlung von technischen Problemstellungen, die vorher nur schwer oder gar nicht zu simulieren waren. Die Vorbereitung von Simulationen mit Overset-Netzen erfordert jedoch eine zum Teil grundlegend andere Vorgehensweise, als bei herkömmlichen CFD-Projekten. Aus diesem Grund werden Kenntnisse über deren typische Arbeitsschritte und etwas Übung vorausgesetzt.
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung
1.1 CFD in der Verfahrenstechnik
1.2 Motivation und Ziel der Arbeit
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Simulationstechnik
2.1.1 Einführung
2.1.2 Rechennetz
2.1.3 Randbedingungen
2.1.4 Qualität und Genauigkeit
2.2 Overset Mesh-Technologie
2.2.1 Aufbau des Strömungsraumes
2.2.2 Funktionsweise
2.2.3 Allgemeine Vorgehensweise
3 Rührwerk
3.1 Rührbehälter
3.2 Rührorgane
4 Tutorial
4.1 Starten der Software
4.2 Import der Geometrie
4.3 Modellierung des Strömungsraumes
4.3.1 Background
4.3.2 Overset
4.3.3 Overlap
4.3.4 Regionen erzeugen
4.4 Randbedingungen
4.5 Physikalisches Modell
4.6 Interface
4.7 Vernetzung
4.8 Rotationsbewegung
4.9 Visualisierung
4.10 Solution History
4.11 Solver und Stopping Criteria
4.12 Ergebnis
5 Optimierung und Diskussion
Zielsetzung & Themen
Diese Arbeit hat zum Ziel, Ingenieure und Studenten der Verfahrenstechnik in die praktische Anwendung der Overset Mesh-Technologie einzuführen. Anhand einer strömungstechnischen Simulation eines Rührwerks wird ein detailliertes Tutorial erstellt, das die grundlegenden Arbeitsschritte, von der Geometrieerstellung bis zur Ergebnisvisualisierung, vermittelt.
- Grundlagen der numerischen Strömungssimulation (CFD)
- Funktionsweise der Overset Mesh-Technologie (Chimera-Gitter)
- Schritt-für-Schritt-Tutorial zur Simulation in STAR-CCM+
- Modellierung komplexer, überlappender Bewegungsabläufe
- Optimierungsstrategien für Simulationsparameter und Vernetzung
Auszug aus dem Buch
Overset Mesh-Technologie
In Kapitel 2.1.2.1 wurde auf die üblicherweise verwendeten Klassen von Rechennetzen eingegangen. Eine weitere eher spezielle Art der Vernetzung stellen die sogenannten Overset-Gitter, auch “Chimera“-Gitter, dar. Im Strömungsraum werden dabei mehrere voneinander unabhängige Teilgitter erstellt. Da sich diese gegenseitig überlappen, werden sie auch häufig als überlappende Gitter bezeichnet. Am nützlichsten ist diese Technik bei Problemstellungen mit mehreren (unterschiedlich) bewegten Körpern oder Optimierungsstudien. Für jeden Einzelkörper wird ein optimal angepasstes Netz generiert und diese werden dann mit Hilfe der Overset-Technik miteinander verbunden. Chimanetze können zwar einfach erstellt werden, benötigen aber bei der Berechnung aufwendige Interpolationen im Übergangsgebiet.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einführung: Erläutert die Grundlagen der CFD in der Verfahrenstechnik und definiert die Zielsetzung der Arbeit sowie die Motivation zur Nutzung der Overset Mesh-Technologie.
2 Theoretische Grundlagen: Bietet eine Einführung in die Simulationstechnik, die Klassifizierung von Rechengittern und die Funktionsweise der Overset Mesh-Technologie sowie die mathematischen Hintergründe.
3 Rührwerk: Beschreibt die geometrischen Spezifikationen des Rührbehälters und der verwendeten Rührorgane, die als Grundlage für die Simulation dienen.
4 Tutorial: Ein praxisorientierter Leitfaden, der den Anwender durch alle Schritte zur Erstellung der Rührwerks-Simulation in STAR-CCM+ führt.
5 Optimierung und Diskussion: Analysiert kritische Aspekte der Overset-Simulation und zeigt Ansätze zur Verbesserung der Rechengenauigkeit und Stabilität auf.
Schlüsselwörter
Overset Mesh, Chimera-Gitter, CFD, Numerische Strömungsmechanik, STAR-CCM+, Rührwerk, Verfahrenstechnik, Simulationstechnik, Instationäre Strömung, DFBI, Bewegte Objekte, Vernetzung, Interpolation, Hole-Cutting, Modelloptimierung
Häufig gestellte Fragen
Was ist das grundlegende Thema dieser Arbeit?
Die Arbeit behandelt die Durchführung von Strömungssimulationen mit bewegten Objekten unter Einsatz der Overset Mesh-Technologie in der CFD-Software STAR-CCM+.
Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?
Neben theoretischen Grundlagen der CFD und der Netzgenerierung liegt der Fokus auf der praktischen Modellierung eines Rührwerks sowie der Handhabung überlappender Gitterstrukturen.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Ziel ist es, Verfahrenstechnikern durch ein detailliertes Tutorial das notwendige Wissen und die praktischen Fähigkeiten zur Durchführung eigener Overset-Simulationen zu vermitteln.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird die Finite-Volumen-Methode (FVM) zur numerischen Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen innerhalb einer instationären Simulation eingesetzt.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil ist als Tutorial strukturiert und führt den Nutzer Schritt für Schritt durch die Software-Bedienung: von der Geometrie-Modellierung über die Vernetzung und Interface-Definition bis hin zur Animation der Ergebnisse.
Welche Begriffe charakterisieren diese Arbeit am besten?
Die Arbeit ist durch Begriffe wie Overset Mesh, Chimera-Gitter, numerische Strömungssimulation (CFD), instationäre Bewegungsabläufe und STAR-CCM+ gekennzeichnet.
Warum wird die Overset Mesh-Technologie für ein Rührwerk gewählt?
Diese Technologie eignet sich besonders für die Simulation bewegter Teile wie Rührorgane, da sie es erlaubt, für jeden Körper ein individuelles, optimales Rechennetz zu verwenden, das sich im Raum bewegen kann.
Welche Rolle spielt der sogenannte Hole-Cutting-Prozess?
Beim Hole-Cutting werden Zellen im Hintergrundnetz in Bereichen, die vom Overset-Netz abgedeckt werden, als inaktiv markiert, um eine korrekte Berechnung und Kopplung der verschiedenen Gitterbereiche zu ermöglichen.
- Citar trabajo
- Kai Zubrod (Autor), 2015, Simulation eines Rührwerks mittels Overset Mesh in STAR-CCM+, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/334758
