Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der numerischen Untersuchung der Einlassrandbedingung eines Jets in Querströmung für ein Geschwindigkeitsverhältnis gleich 3.
Hierbei soll das frei verfügbare Software OpenFOAM verwendet werden. Zu diesem Zweck wird das Rohr mit einem kreisförmigen modellierten Einlass ersetzt und mit dem voll diskretisierten Einlaufkanal verglichen. Wichtig hierbei ist die Ermittlung des zeitlich gemittelten Einlassprofils. Im Laufe dieser Arbeit werden die Ergebnisse der beiden Simulation miteinander sowie mit den Daten aus NS3D und mit Literaturwerte hinsichtlich verschiedener Parameter verglichen. Relevante Wirbelstrukturen, RMS-Werte, Trajektorien und zeitlich gemittelte Geschwindigkeitskomponenten, Stromlinien sowie Vortizitätsverteilung sollen untersucht und diskutiert werden.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Physikalisches Hintergrund
2.1. Erhaltungsgleichungen
2.1.1. Massenerhaltung
2.1.2. Impulserhaltung
2.1.3. Energieerhaltung
2.1.4. Thermische Zustandsgleichung
2.2. Relevante Strömungskennzahlen
2.2.1. Knudsenzahl
2.2.2. Reynoldszahl
2.2.3. Strouhalzahl
2.3. Direkte numerische Simulation (DNS)
2.4. Wirbelerkennung
2.4.1. Vortizität
2.4.2. Q-Kriterium
3. Verwendete Softwares und Simulationsablauf
3.1. OpenFoam
3.1.1. Einführung
3.1.2. Programmstruktur
3.2. Vorbetrachtung
3.2.1. Geometrie und Berechnungsvorgehensweise
3.2.2. Netzerstellung
3.2.3. Randbedingungen
3.2.4. Solver
3.2.5. Postprocessing
4. Ergebnisse und Diskussion
4.1. Validierung der Grundströmung
4.2. Turbulente kinetische Energie in der Symmetrieebene z = 0
4.3. Zeitlich gemitteltes Geschwindigkeitsprofil im modellierten Jeteinlass
4.4. Wirbeltrukturen von JIC
4.5. Zeitlich gemittelte Trajektorie
4.6. Zeitlich gemittelte Geschwindigkeit und Stromlinien
4.7. Zeitlich gemittelte turbulente kinetische Energie
4.8. Untersuchung vom Geschwindigkeitsverlauf entlang verschiedenen Linien
4.9. Zeitlich gemittelte RMS-Werte
4.10. Vortizität und Q-Kriterium
5. Zusammenfassung
A. createBoundaryLayer.py: Skript zur Generierung der Grenzschicht
B. initOutPipe.py: Skript zur Initialisierung vom modellierten Einlass
C. blockMeshDict
C.1. JIC mit Rohr
C.2. JIC ohne Rohr
D. snappyHexMeshDict
D.1. JIC mit Rohr
D.2. JIC ohne Rohr
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht numerisch die Einlassrandbedingung eines Jets in einer Querströmung bei einem Geschwindigkeitsverhältnis von R=3. Ziel ist es, durch den Vergleich eines voll diskretisierten Einlaufkanals mit einem kreisförmigen modellierten Einlass in OpenFOAM das zeitlich gemittelte Einlassprofil zu bestimmen und relevante Strömungsphänomene wie Trajektorien und Wirbelstrukturen zu analysieren.
- Numerische Untersuchung von Jet-in-Crossflow (JIC) Szenarien
- Vergleich zwischen voll diskretisiertem Einlaufkanal und modelliertem Einlass
- Anwendung und Validierung von OpenFOAM zur Strömungssimulation
- Analyse von Trajektorien, Wirbelstrukturen und Geschwindigkeitsfeldern
- Vergleich der Simulationsergebnisse mit NS3D-Daten und theoretischen Modellen
Auszug aus dem Buch
4.4. Wirbeltrukturen von JIC
Die Wechselwirkung zwischen der Querströmung und dem Jet führt zu einem komplexen Strömungsfeld mit unterschiedlichen Wirbelsysteme. Die Abbildung 4.6 zeigt die Isokontur Q-Kriterium gleich 0.01 mit der Geschwindigkeit für die zwei Simulationen von JIC mit Rohr und JIC ohne Rohr. Augenscheinlich kann bermerkt werden, dass ähnliche Strukturen für die zwei Simulationen auftauchen. Die oberen Ansichten 4.6 (e) und 4.6 (h) zeigen klar, dass die Strömung nur in der Nähe vom Jetauslass symetrisch ist. Stromabwärts nimmt die Turbulenz zu und sieht die Strömung in diesem Bereich völlig unsymmetrisch aus. Das komplexe Wirbelsystem kann nach Fric und Roshko [5] in 4 Hauptkategorien untergliedert werden: die Kelvin-Helmholtz Wirbeln, Hufeisenwirbel, counter-rotating vortex pair (CVP) und die schwache Wirbeln (upright vortices).
Die CVP sind ein Merkmal für das JIC. Diese sind in Abbildungen 4.7 bis 4.10 für die Ebenen x=1m, x=3m und x=10m aus der Geschwindigkeitsverteilung und den Stromlinien zu erkennen. Diese entstehen in der Nähe vom Jetauslass und dominieren die Strömung weiter stromabwärts. Die Mechanismen, die zur Bildung von CVP führen, wurden bereits erforscht. Broadwell und Breidenthal [3] haben es auf dem Jetimpuls in Querströmung zurückgeführt. Dieses Phänomen ähnelt der Spur, den die Flügel eines Flugzeuges in einer Wolke hinterlässt. In der Ebene x=1m weisen die CVP eine symmetrische Struktur auf. Stromabwärts kann festgestellt werden, dass das CVP nur während den ersten 20 Sekunden in der Ebene x=3m völlig symmetrisch aussieht. Später wächst die Instationarität und das CVP fängt in der Spannweitenrichtung an zu schwingen. Die Schwingungsamplitude in der Ebene x=10m ist deutlicher zu erkennen, was eine zunehmende Instationarität stromabwärts bedeutet.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Beschreibt die Bedeutung von Jets in Querströmung in technischen Anwendungen wie Gasturbinen und liefert eine Übersicht über existierende Literatur und Ziele der Arbeit.
2. Physikalisches Hintergrund: Erläutert die grundlegenden Erhaltungsgleichungen der Strömungsmechanik, dimensionslose Kennzahlen sowie Methoden zur Wirbelerkennung wie Vortizität und das Q-Kriterium.
3. Verwendete Softwares und Simulationsablauf: Detailliert die Nutzung des Softwarepakets OpenFOAM, die Ordnerstruktur der Simulationen, die Netzgenerierung mittels snappyHexMesh und das Postprocessing.
4. Ergebnisse und Diskussion: Präsentiert die Validierung der Simulationen sowie eine detaillierte Analyse der Strömungsparameter, Wirbelstrukturen und den Vergleich mit Literaturdaten.
5. Zusammenfassung: Fasst die wesentlichen Erkenntnisse zusammen und gibt einen Ausblick auf mögliche weiterführende Forschungsarbeiten.
Schlüsselwörter
Jet in Querströmung, JIC, OpenFOAM, numerische Strömungsmechanik, CFD, DNS, Wirbelstrukturen, Trajektorie, Einlassrandbedingung, Grenzschicht, snappyHexMesh, Q-Kriterium, Vortizität, Filmkühlung, Strömungssimulation.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit behandelt die numerische Untersuchung eines Jets in einer Querströmung (Jet in Crossflow, JIC) unter Verwendung der Open-Source-Software OpenFOAM.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind die Modellierung von Einlassrandbedingungen, die DNS (Direkte numerische Simulation) sowie die Analyse von Wirbelstrukturen und Strömungstrajektorien.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Hauptziel ist der Vergleich eines voll diskretisierten Einlaufkanals mit einer vereinfachten kreisförmigen Einlassmodellierung, um zu prüfen, inwieweit Letztere korrekte Ergebnisse liefert.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es kommt die Methode der direkten numerischen Simulation (DNS) innerhalb der Software-Toolbox OpenFOAM zum Einsatz.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Im Hauptteil werden neben den theoretischen Grundlagen der Strömungsmechanik vor allem der Simulationsablauf, die Netzgenerierung (snappyHexMesh), die Randbedingungen und eine ausführliche Ergebnisdiskussion behandelt.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Schlüsselwörter sind Jet in Querströmung (JIC), OpenFOAM, CFD, DNS, Wirbelstrukturen, Trajektorien sowie Grenzschichtanalyse.
Wie unterscheidet sich die Geometrie "JIC mit Rohr" von "JIC ohne Rohr"?
Bei der Geometrie "JIC mit Rohr" ist der Einlaufkanal vollständig aufgelöst, während bei "JIC ohne Rohr" der Einlass durch eine kreisförmige Randbedingung mit einem zeitlich gemittelten Geschwindigkeitsprofil modelliert wird.
Warum wird das Q-Kriterium in dieser Arbeit angewendet?
Das Q-Kriterium wird zur Identifikation und Visualisierung von Wirbelstrukturen verwendet, um Gebiete zu unterscheiden, in denen die Rotation gegenüber der Scherung überwiegt.
- Quote paper
- Alaa Bejaoui (Author), 2017, Numerische Untersuchung der Einlassrandbedingung eines Jets in Querströmung, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/491297
