Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Strömungstechnik. Als Beispiele werden die Strömungen der Raketendüse, in einem Ölabscheider und Aerodynamik eines Tragflügels simuliert.
Die Zielsetzung dieser Arbeit ist, zunächst die Software zu erlernen und die Zuverlässigkeit des Programms zu testen. Dies erstreckt sich von der Vernetzung, die sinnvollen Aufbringung von Randbedingungen auf das zu berechnende Strömungsfeld, bis hin zur Berechnung und der anschließenden Darstellung der Ergebnisse. Die Geometrie wird allerdings erst in Pro-Engineer oder einem ähnlichen Programm erzeugt und dann in CFdesign importiert. Die Bedienung dieses Programms setzt also CAD-Kenntnisse voraus. Zur Validierung der numerischen Ergebnisse werden Handberechnungen durchgeführt und die beiden Ergebnisse miteinander verglichen. Um die Zuverlässigkeit der Handberechnungen zu gewährleisten, werden zusätzlich die qualitativen Lösungen aus der Literatur herangezogen.
Numerische Simulationen finden in den ingenieurwissenschaftlichen Bereichen immer mehr an Bedeutung, da sich die Leistungsfähigkeit bei gleichzeitiger Verbesserung der Softwarebedienung stetig steigert. Die im Rahmen der Arbeit angewandte Software CFdesign kann Berechnungen im Bereich der Strömungssimulation durchführen. Die Wirtschaftlichkeit der numerischen Berechnungen gegenüber zeit- und kostenaufwendigen Versuchen hat sich erheblich erhöht.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Grundlagen der Strömungslehre
2.1. Kontinuum
2.2. Stationäre und instationäre Strömungen
2.3. Dichte und thermische Zustandsgleichung
2.4. Thermische Zustandsänderung
2.5. Schallgeschwindigkeit
2.6. Die Mach-Zahl
2.7. Kompressible und inkompressible Strömung
2.8. Bilanzgleichungen
2.9. Kontinuitätsgleichung
2.10. Impulsgleichung
3. Numerische Berechnungen
3.1. Cfdesign
3.1.1. Eingabe der Randbedingungen
3.1.2. Vernetzung
3.1.3. Auswahl des Mediums
3.1.4. Fluid- Eigenschaften
3.1.5. Start der Analyse
4. Untersuchung einer Raketendüse
4.1. Raketenantriebe
4.2. Leistungsgrößen und Kennwertdefinition
4.3. Auslegung einer Düse
4.4. Analyse der Düse mit Cfdesign
4.5. Handberechnungen
5. Untersuchung eines Tragflügels
5.1. Tragflügel-Theorie
5.2. Druckverteilung am Tragflügel
5.3. Bezeichnungen und Begriffe am Tragflügel
5.4. Analyse unter Cfdesign
6. Analyse der Strömungen im Behälter
6.1. Auswahl des porösen Materials
6.2. Ergebnisse
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, die Software CFdesign zur Strömungssimulation zu erlernen und ihre Zuverlässigkeit durch den Vergleich mit theoretischen Handberechnungen sowie Referenzdaten zu evaluieren. Der Fokus liegt dabei auf der korrekten Vernetzung, der Anwendung physikalischer Randbedingungen und der anschließenden Interpretation numerischer Ergebnisse in verschiedenen technischen Anwendungsszenarien.
- Grundlagen der Strömungsmechanik und mathematische Modellierung
- Methodik der numerischen Strömungsberechnung mittels Finite-Elemente-Methode (FEM)
- Anwendung der Simulation auf Raketendüsen und Optimierung der Schubparameter
- Aerodynamische Untersuchung von Tragflügelprofilen
- Strömungsanalyse in Behältern mit porösen Medien (Ölabscheider)
Auszug aus dem Buch
1. Einleitung
Numerische Simulationen finden in den ingenieurwissenschaftlichen Bereichen immer mehr an Bedeutung, da sich die Leistungsfähigkeit bei gleichzeitiger Verbesserung der Softwarebedienung stetig steigert. Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit angewandte Software CFdesign kann Berechnungen im Bereich der Strömungssimulationen durchführen. Die Wirtschaftlichkeit der numerischen Berechnungen gegenüber zeit- und kostenaufwendigen Versuchen hat sich erheblich erhöht.
Diese Bachelorarbeit beschäftigt sich mit der Strömungstechnik. Als Beispiele werden die Strömungen der Raketendüse, in einem Ölabscheider und Aerodynamik eines Tragflügels simuliert.
Die Zielsetzung dieser Arbeit ist, zuerst die Software zu erlernen und die Zuverlässigkeit des Programms zu testen. Dies erstreckt sich von der Vernetzung, die sinnvollen Aufbringung von Randbedingungen auf das zu berechnende Strömungsfeld, bis hin zur Berechnung und der anschließenden Darstellung der Ergebnisse. Die Geometrie wird allerdings erst in Pro-Engineer oder einem ähnlichen Programm erzeugt und dann in CFdesign importiert. Die Bedienung dieses Programms setzt also CAD-Kenntnisse voraus.
Zur Validierung der numerischen Ergebnisse werden Handberechnungen durchgeführt und die beiden Ergebnisse miteinander verglichen. Um die Zuverlässigkeit der Handberechnungen zu gewährleisten, werden zusätzlich die qualitativen Lösungen aus der Literatur herangezogen.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Das Kapitel erläutert die zunehmende Relevanz numerischer Simulationen und definiert das Ziel, die Software CFdesign mittels praktischer Beispiele und Validierung durch Handrechnungen zu testen.
2. Grundlagen der Strömungslehre: Hier werden die theoretischen Basisgrößen und physikalischen Erhaltungssätze, wie die Kontinuitäts- und Impulsgleichung, für kompressible und inkompressible Strömungen dargestellt.
3. Numerische Berechnungen: Dieses Kapitel beschreibt das zugrunde liegende numerische Verfahren, insbesondere die Finite-Elemente-Methode, und die praktische Bedienung der Software CFdesign.
4. Untersuchung einer Raketendüse: Die Anwendung der Strömungssimulation auf Raketenantriebe, deren physikalische Auslegung und der Vergleich zwischen numerischen Resultaten und Handrechnungen stehen hier im Vordergrund.
5. Untersuchung eines Tragflügels: Es werden aerodynamische Grundlagen vermittelt und die Simulation eines Tragflügelprofils durchgeführt, um Druckverteilungen zu untersuchen.
6. Analyse der Strömungen im Behälter: Dieses Kapitel befasst sich mit der Simulation eines Ölabscheiders, bei dem ein poröses Material als Strömungswiderstand modelliert wird.
Schlüsselwörter
Strömungsmechanik, Numerische Simulation, CFdesign, Raketendüse, Tragflügel-Theorie, Finite-Elemente-Methode, Strömungslehre, Validierung, Grenzschicht, Druckverteilung, Ölabscheider, Impulsgleichung, Kontinuitätsgleichung, Strömungssimulation, Modellbildung
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Die Arbeit befasst sich mit der Anwendung und Validierung von Software für numerische Strömungsmechanik (CFD) anhand von drei technischen Fallbeispielen.
Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?
Die zentralen Themen sind Strömungsmechanik, numerische Simulationsverfahren mittels Finite-Elemente-Methode (FEM), Raketenantriebe, Aerodynamik von Tragflügeln und Strömungen in porösen Medien.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist es, die Software CFdesign zu erlernen, die Zuverlässigkeit der Ergebnisse durch Vergleich mit Handrechnungen zu validieren und den gesamten Simulationsprozess von der Geometrieerstellung bis zur Auswertung zu dokumentieren.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zur Anwendung?
Es wird das FEM-Verfahren (Finite-Elemente-Methode) genutzt, kombiniert mit theoretischen Handberechnungen zur Validierung der numerischen Ergebnisse.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil umfasst die theoretischen Grundlagen der Strömungslehre, die methodische Einführung in die Software, sowie die detaillierte Analyse der Strömungsvorgänge in einer Raketendüse, einem Tragflügel und einem Ölabscheider.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Publikation?
Die Arbeit lässt sich am besten durch Begriffe wie Strömungsmechanik, CFdesign, numerische Simulation, Raketendüse, Aerodynamik und Validierung beschreiben.
Wie wurde die Wandreibung der Raketendüse in der Software berücksichtigt?
Da CFdesign standardmäßig von glatten Rohren ausgeht, wurde eine spezielle Funktion im Fenster "Friction Factor" genutzt, um die Wandreibung gezielt in die Berechnung einzubeziehen.
Warum gibt es Abweichungen zwischen der CFdesign-Analyse und dem Programm Fluent beim Ölabscheider?
Die Arbeit stellt fest, dass die Ergebnisse nicht deckungsgleich sind, und führt dies auf Unterschiede im Rechenverfahren der beiden Softwarelösungen zurück.
- Quote paper
- Usman Butt (Author), 2009, Strömungstechnik. Strömungsberechnung mit CFdesign, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/888916
