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
- Einführung
- CFD in der Verfahrenstechnik
- Motivation und Ziel der Arbeit
- Theoretische Grundlagen
- Simulationstechnik
- Einführung
- Rechennetz
- Randbedingungen
- Qualität und Genauigkeit
- Overset Mesh-Technologie
- Allgemeine Vorgehensweise
- Aufbau des Strömungsraumes
- Funktionsweise
- Rührwerk
- Rührbehälter
- Rührorgane
- Tutorial
- Starten der Software
- Import der Geometrie
- Modellierung des Strömungsraumes
- Background
- Overset
- Overlap
- Regionen erzeugen
- Randbedingungen
- Physikalisches Modell
- Interface
- Vernetzung
- Rotationsbewegung
- Visualisierung
- Solution History
- Solver und Stopping Criteria
- Ergebnis
- Optimierung und Diskussion
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Diese Studienarbeit befasst sich mit der Simulation eines Rührwerks mittels Overset Mesh in STAR-CCM+ 10.02.010. Ziel ist es, ein Tutorial zu erstellen, welches die einzelnen Schritte der Modellierung und Simulation detailliert beschreibt. Der Fokus liegt auf der Anwendung der Overset Mesh-Technologie und der korrekten Umsetzung der Randbedingungen.
- Einführung in die CFD-Simulation und deren Anwendung in der Verfahrenstechnik
- Detaillierte Erklärung der Overset Mesh-Technologie
- Schritt-für-Schritt Anleitung zur Simulation eines Rührwerks in STAR-CCM+
- Diskussion der Ergebnisse und möglicher Optimierungen
- Bewertung der Genauigkeit und Qualität der Simulation
Zusammenfassung der Kapitel
Einführung: Dieses Kapitel liefert eine Einführung in die Computational Fluid Dynamics (CFD) und deren zunehmende Bedeutung in der Verfahrenstechnik. Es wird hervorgehoben, dass CFD die Entwicklung und Optimierung von Prozessen durch die Simulation von Strömungen und multiphysikalischen Problemen beschleunigt und experimentelle Untersuchungen reduziert. Der Bedarf an innovativer CFD-Software angesichts immer kürzerer Entwicklungszeiten und komplexer Problemstellungen wird ebenfalls betont.
Theoretische Grundlagen: Dieses Kapitel behandelt die theoretischen Grundlagen der CFD-Simulation und der Overset Mesh-Technologie. Es werden verschiedene Aspekte der Simulationstechnik erläutert, wie z.B. das Rechennetz, die Randbedingungen und die Qualitätskontrolle der Ergebnisse. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Overset Mesh-Technologie, deren Funktionsweise und Anwendung bei der Simulation komplexer Geometrien detailliert beschrieben werden. Die Vorteile dieser Methode im Vergleich zu anderen Ansätzen werden diskutiert.
Rührwerk: In diesem Kapitel wird die Geometrie des simulierten Rührwerks beschrieben. Es werden sowohl der Rührbehälter als auch die verwendeten Rührorgane detailliert dargestellt, inklusive ihrer Abmessungen und Anordnung. Die Beschreibung dient als Grundlage für das nachfolgende Tutorial zur Simulation.
Tutorial: Das Herzstück der Arbeit ist dieses Kapitel. Es bietet eine detaillierte, schrittweise Anleitung zur Simulation des Rührwerks in STAR-CCM+. Es werden alle notwendigen Schritte erläutert, von der Softwareinstallation bis zur Ergebnisvisualisierung. Besonderes Augenmerk liegt auf der Modellierung des Strömungsraumes mithilfe der Overset Mesh-Technologie, der Definition der Randbedingungen, der Vernetzung und der Simulation der Rotationsbewegung des Rührwerks. Die verschiedenen Parameter und Einstellungen in STAR-CCM+ werden ausführlich beschrieben und erklärt.
Optimierung und Diskussion: Dieses Kapitel (ohne Zusammenfassung da es Spoiler enthalten könnte)
Schlüsselwörter
CFD, Numerische Strömungssimulation, Overset Mesh, STAR-CCM+, Rührwerk, Verfahrenstechnik, Simulation, Modellierung, Randbedingungen, Vernetzung, Strömungsraum, Rotationsbewegung.
Häufig gestellte Fragen zur Studienarbeit: CFD-Simulation eines Rührwerks mit Overset Mesh in STAR-CCM+
Was ist der Gegenstand dieser Studienarbeit?
Diese Studienarbeit befasst sich mit der numerischen Strömungssimulation (CFD) eines Rührwerks unter Verwendung der Overset Mesh-Technologie in der Software STAR-CCM+ 10.02.010. Das Hauptziel ist die Erstellung eines detaillierten Tutorials zur Modellierung und Simulation dieses Prozesses.
Welche Software wird verwendet?
Die Simulationen werden mit STAR-CCM+ Version 10.02.010 durchgeführt.
Welche Methode der Gittergenerierung wird eingesetzt?
Die Arbeit konzentriert sich auf die Anwendung der Overset Mesh-Technologie zur Simulation des Strömungsfeldes um das Rührwerk.
Welche Aspekte werden in der Arbeit behandelt?
Die Arbeit umfasst eine Einführung in die CFD und ihre Anwendung in der Verfahrenstechnik, eine detaillierte Erklärung der Overset Mesh-Technologie, ein Schritt-für-Schritt-Tutorial zur Simulation des Rührwerks in STAR-CCM+, eine Diskussion der Ergebnisse und möglicher Optimierungen sowie eine Bewertung der Genauigkeit und Qualität der Simulation. Die Arbeit beinhaltet auch die Beschreibung der Rührwerksgeometrie (Behälter und Rührorgane).
Wie ist die Arbeit strukturiert?
Die Arbeit gliedert sich in die Kapitel: Einführung (CFD in der Verfahrenstechnik, Motivation und Ziel), Theoretische Grundlagen (Simulationstechnik, Overset Mesh-Technologie), Rührwerk (Geometriebeschreibung), Tutorial (detaillierte Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Simulation in STAR-CCM+), und Optimierung und Diskussion der Ergebnisse.
Was beinhaltet das Tutorial?
Das Tutorial beschreibt detailliert alle Schritte der Simulation, von der Softwareinstallation und dem Geometrieeimport bis hin zur Modellierung des Strömungsraumes (mit Overset Mesh), der Definition der Randbedingungen, der Vernetzung, der Simulation der Rotationsbewegung, der Visualisierung der Ergebnisse, der Wahl des Solvers und der Festlegung der Abbruchkriterien.
Welche Schlüsselwörter beschreiben den Inhalt der Arbeit?
Die wichtigsten Schlüsselwörter sind: CFD, Numerische Strömungssimulation, Overset Mesh, STAR-CCM+, Rührwerk, Verfahrenstechnik, Simulation, Modellierung, Randbedingungen, Vernetzung, Strömungsraum, Rotationsbewegung.
Für wen ist diese Arbeit bestimmt?
Diese Arbeit richtet sich an Leser, die sich mit CFD-Simulationen, insbesondere mit der Overset Mesh-Methode in STAR-CCM+, vertraut machen möchten. Sie ist besonders nützlich für Studierende und Ingenieure in der Verfahrenstechnik.
Welche Ziele werden mit der Arbeit verfolgt?
Die Arbeit zielt darauf ab, ein umfassendes Verständnis der CFD-Simulation von Rührwerken mit Overset Mesh zu vermitteln und ein praktisches Tutorial für die Anwendung in STAR-CCM+ bereitzustellen. Es soll auch die Genauigkeit und Qualität der Simulation bewertet werden.
Wo finde ich weitere Informationen?
(Hier könnte ein Link zu einem Repository oder einer Publikation eingefügt werden)
- Arbeit zitieren
- Kai Zubrod (Autor:in), 2015, Simulation eines Rührwerks mittels Overset Mesh in STAR-CCM+, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/334758
