CFD - Rosenberg
CFD - Rosenberg
CFD - Rosenberg
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Buderus – <strong>Rosenberg</strong> szakmai napok<br />
Visegrád, 2008.május.26-27.<br />
A légtechnikai l<br />
fejlesztések sek során<br />
alkalmazott hő-h<br />
és áramlástani<br />
szimuláci<br />
ciós s eljárások<br />
Szekeres GáborG<br />
Okl.gépészmérnök
Bevezetés<br />
Numerikus szimuláció használata a légtechnikai fejlesztéseknél<br />
– A környezeti terhelés csökkentése mára fontos szerepet kapott, és a<br />
jövőben még fokozottabb szerepe lesz.<br />
– A gyártóknak fel kell készülniük a holnapra „high-tech” eszközök<br />
– Gépek energetikai optimalizálása<br />
• Áramlási veszteségek csökkentése Zaj csökkentése<br />
• Hőtani veszteségek csökkentése<br />
– A légtechnikában jellemzően mindig más és más feladatot kell<br />
megoldani, ez nagy rugalmasságot igényel.<br />
– Gyors reakcióidő és műszaki biztonság az egyedi gép gyártásban
Numerikus szimuláci<br />
ció használata a<br />
légtechnikai fejlesztésekn<br />
seknél<br />
Nyomvonalak egy radiális átömlésű járókeréknél
Numerikus szimuláci<br />
ció használata a<br />
légtechnikai fejlesztésekn<br />
seknél<br />
A számítógépek fejlődése numerikus analízis fejlődése<br />
• Az asztali számítógép is képessé vált a hatékony numerikus szimulációra<br />
• Fizikai alapelveken alapul és nem empirikus összefüggéseken.<br />
•Ebből adódóan rendkívül sokoldalúan használhatóak<br />
• Nagyon szemléletes eredményeket ad<br />
Mechanikai számítások<br />
FEA/FEM - véges elemes módszer<br />
szilárd testek<br />
Áramlástani számítások<br />
<strong>CFD</strong> - véges térfogatok módszere<br />
szilárd testek körüli folyadékok (gázok)<br />
Emelőfül<br />
Táskás szűrő
<strong>CFD</strong> - „Computational<br />
Fluid<br />
Dynamics”<br />
Áramlások numerikus szimuláci<br />
ciója<br />
Történelem:<br />
Kezdetben erősen katonai alkalmazás<br />
• Első 2D kódok: ~1930tól<br />
• Első 3D kódok: 1966tól (Douglas Aircraft)<br />
– Majd: Boeing, Lockheed, Douglas, McDonnel Aircraft, NASA<br />
– Alkalmazási területek: repülőipar, tengeralattjárók, hajók, helikopterek, autók<br />
• Első „teljes értékű” kódok: 1980 (Grumman Aerospace, NASA)<br />
Mire alkalmas:<br />
• Folyadékok (és gázok) áramlásának vizsgálata matematikai módszerekkel<br />
• Leggyakrabban számítandó mennyiségek:<br />
– Nyomáseloszlás<br />
– Sebességtér<br />
– Hőmérséklet eloszlás<br />
– Egyéb (zaj, erők, nyomatékok, stb.)
<strong>CFD</strong> - „Computational<br />
Fluid<br />
Dynamics”<br />
Áramlások numerikus szimuláci<br />
ciója<br />
Az áramlást leíró törvények:<br />
Anyagmegmaradás Kontinuitás egyenlet<br />
Áramcső<br />
∂ρ<br />
+ ∇ ⋅<br />
∂t<br />
Lendület megmaradás Navier-Stokes egyenletek<br />
∂v<br />
∂t<br />
∂v<br />
∂t<br />
+ v<br />
∂vx<br />
∂x<br />
+ v<br />
∂vx<br />
∂y<br />
Energia megmaradás Energiaegyenlet<br />
stb…<br />
y<br />
x<br />
∂v<br />
∂t<br />
z<br />
+ v<br />
x<br />
+ v<br />
x<br />
x<br />
∂v<br />
y<br />
∂x<br />
∂vz<br />
∂x<br />
+ v<br />
y<br />
+ v<br />
y<br />
y<br />
∂v<br />
∂y<br />
( ρv) = 0<br />
y<br />
∂vz<br />
∂y<br />
+ v<br />
+ v<br />
z<br />
+ v<br />
z<br />
z<br />
∂v<br />
∂z<br />
∂v<br />
y<br />
x<br />
∂z<br />
∂vz<br />
∂z<br />
1 ∂p<br />
= −<br />
ρ ∂x<br />
1 ∂p<br />
= −<br />
ρ ∂y<br />
1 ∂p<br />
= −<br />
ρ ∂z<br />
+ g<br />
+ g<br />
+ g<br />
y<br />
x<br />
z<br />
2<br />
⎛ ∂ v<br />
+ ν<br />
⎜<br />
2<br />
⎝ ∂x<br />
2<br />
⎛ ∂ vy<br />
+ ν ⎜<br />
2<br />
⎝ ∂x<br />
2<br />
⎛ ∂ vz<br />
+ ν<br />
⎜<br />
2<br />
⎝ ∂x<br />
x<br />
2<br />
∂ v<br />
+<br />
2<br />
∂y<br />
2<br />
∂ v<br />
+<br />
2<br />
∂y<br />
x<br />
y<br />
2<br />
∂ v<br />
+<br />
2<br />
∂y<br />
z<br />
2<br />
∂ v<br />
+<br />
2<br />
∂z<br />
2<br />
∂ v<br />
+<br />
2<br />
∂z<br />
2<br />
∂ v<br />
+<br />
2<br />
∂z<br />
x<br />
y<br />
z<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠
<strong>CFD</strong> - „Computational<br />
Fluid<br />
Dynamics”<br />
Áramlások numerikus szimuláci<br />
ciója<br />
Diszkretizáció: Térben és időben<br />
Differenciál egyenlet Algebrai egyenlet<br />
(kontinuum) (diszkrét)<br />
Alapelv (tetszőleges állapotváltozóra):<br />
térfogaton belüli megváltozás + felületeken való átáramlás = forrás a térfogaton belül<br />
Numerikus háló készítése: véges térfogatok módszere<br />
Elemi cella<br />
Ipari alkalmazás:<br />
max ~1.000.000 cella
<strong>CFD</strong> - „Computational<br />
Fluid<br />
Dynamics”<br />
Áramlások numerikus szimuláci<br />
ciója<br />
Turbulencia: instabilitások keltette örvények az áramlásban<br />
Nem kaotikus determinisztikus A Navier-Stokes egyenletek leírják<br />
Turbulens energia kaszkád:<br />
Következmény:<br />
• A turbulencia szimulációjához a<br />
legkisebb méretű örvényekig<br />
(„ν”-lépték) fel kell bontani a teret.<br />
• Hatalmas számítás igény<br />
• Nagy Re-számok esetén<br />
még szuperszámítógép sem elég<br />
• A turbulenciát modellezni kell !!!<br />
Produkció<br />
Az átlag áramlásból<br />
Disszipáció<br />
A viszkozitás miatt<br />
Nagy örvények<br />
(„L”-lépték)<br />
Turbulens<br />
energia kaszkád<br />
Kis örvények<br />
(„l”-lépték)
Turbulencia modellezése:<br />
Különböző megközelítések (részben empirikus összefüggések)<br />
A fal hatása domináns a turbulenciánál a falak környékét külön kell kezelni<br />
• Örvényviszkozitás modellek<br />
Alapelv: A folyadékcsomagok hasonlóan viselkednek, mint a molekulák a kinetikus<br />
gázelméletben.<br />
– A turbulenciát egy plusz viszkozitás taggal modellezzük<br />
– A legelterjedtebb ipari felhasználásra (k-ε, k-ω)<br />
• Reynolds feszültségi modellek<br />
– A Reynolds feszültségtenzort modellezzük<br />
• LES – Nagy örvény szimuláció<br />
• stb.<br />
<strong>CFD</strong> - „Computational<br />
Fluid<br />
Dynamics”<br />
Áramlások numerikus szimuláci<br />
ciója<br />
– A nagy örvényeket szimuláljuk (energia ~80-90%-a), a kicsiket modellezzük<br />
– Nagy pontosság, nagy erőforrásigény
<strong>CFD</strong> - „Computational<br />
Fluid<br />
Dynamics”<br />
Áramlások numerikus szimuláci<br />
ciója<br />
Egyszerűsítések – elhanyagolások<br />
• Áramlás időfüggése<br />
Elegendő-e az átlagos áramkép számítása?<br />
Lamináris áramlás is lehet időfüggő!<br />
∂ϕ<br />
• Síkáramlás ≅ 0<br />
Kármán-féle örvénysor<br />
∂z<br />
Az áramlás nem változik a harmadik irány mentén 2D egyenletek!<br />
• Szimmetria<br />
Hengerszimmetria, tükörszimmetria, periodikusság<br />
• stb.
A szimuláci<br />
ció folyamata<br />
1. geometriai reprezentáció<br />
készítés (hálózás)<br />
2. szolver és diszkretizáció<br />
kiválasztása<br />
3. fizikai modellek kiválasztása<br />
4. kezdeti- és peremfeltételek<br />
megadása<br />
5. futtatás – konvergencia<br />
megítélése<br />
6. kiértékelés<br />
7. validáció<br />
CAD geometria import<br />
A „folyadék” behálózása<br />
Kellő felbontás ahol nagy<br />
gradiensek várhatóak<br />
(falak, rések, lökéshullámok,<br />
leválások)
A szimuláci<br />
ció folyamata<br />
1. geometriai reprezentáció<br />
készítés (hálózás)<br />
2. szolver és diszkretizáció<br />
kiválasztása<br />
3. fizikai modellek kiválasztása<br />
4. kezdeti- és peremfeltételek<br />
megadása<br />
5. futtatás – konvergencia<br />
megítélése<br />
6. kiértékelés<br />
7. validáció<br />
Szolver:<br />
• Csatolt / Szegregált<br />
• Implicit / Explicit<br />
• Időfüggő / „befagyott” áramkép<br />
• 2D / 3D szimuláció<br />
• Szimmetria esetek<br />
Diszkretizáció (tér- és időbeli)<br />
• Első rendű / Másodrendű…<br />
• Középpontos / szél-felől<br />
súlyozott…
A szimuláci<br />
ció folyamata<br />
1. geometriai reprezentáció<br />
készítés (hálózás)<br />
2. szolver és diszkretizáció<br />
kiválasztása<br />
3. fizikai modellek kiválasztása<br />
4. kezdeti- és peremfeltételek<br />
megadása<br />
5. futtatás – konvergencia<br />
megítélése<br />
6. kiértékelés<br />
7. validáció<br />
• Gáztörvény<br />
• Turbulencia modell<br />
• Porozitás modell<br />
• Hőátvitel<br />
• Hősugárzás<br />
• Többfázisú- / többkomponensű<br />
közegek<br />
• Égés<br />
• Olvadás / Megszilárdulás<br />
• Aeroakusztika<br />
• Stb…
A szimuláci<br />
ció folyamata<br />
1. geometriai reprezentáció<br />
készítés (hálózás)<br />
2. szolver és diszkretizáció<br />
kiválasztása<br />
3. fizikai modellek kiválasztása<br />
4. kezdeti- és peremfeltételek<br />
megadása<br />
5. futtatás – konvergencia<br />
megítélése<br />
6. kiértékelés<br />
7. validáció<br />
Belépés / kilépés:<br />
Falak:<br />
• Sebesség<br />
• Nyomás<br />
• Hőmérséklet<br />
• Turbulencia fok, stb…<br />
• Súrlódási tényező<br />
• Hőmérséklet<br />
• Fali hővezetés<br />
• Felületi forrástagok<br />
Szimmetria és Periodikus peremfeltételek,<br />
térfogati forrástagok, stb…
A szimuláci<br />
ció folyamata<br />
1. geometriai reprezentáció<br />
készítés (hálózás)<br />
2. szolver és diszkretizáció<br />
kiválasztása<br />
3. fizikai modellek kiválasztása<br />
4. kezdeti- és peremfeltételek<br />
megadása<br />
5. futtatás – konvergencia<br />
megítélése<br />
6. kiértékelés<br />
7. validáció<br />
Futtatás:<br />
• A szolver a peremfeltételek<br />
alapján megoldja az<br />
egyenleteket a numerikus hálón.<br />
• Iteratív megoldás<br />
Konvergencia:<br />
• A számítás során az áramkép<br />
tart a megoldás felé.<br />
• A megmaradó mennyiségek<br />
hibáját (rezidumok) figyeljük<br />
• Ha a rezidum < küszöbszám,<br />
akkor a számítás konvergens
A szimuláci<br />
ció folyamata<br />
1. geometriai reprezentáció<br />
készítés (hálózás)<br />
2. szolver és diszkretizáció<br />
kiválasztása<br />
3. fizikai modellek kiválasztása<br />
4. kezdeti- és peremfeltételek<br />
megadása<br />
5. futtatás – konvergencia<br />
megítélése<br />
6. kiértékelés<br />
7. validáció<br />
Vizuális: „A jelenség megértése”<br />
• Szemléletesség<br />
• Jól megfigyelhetőek az áramlási<br />
struktúrák<br />
Cseppleválasztó profilok<br />
Numerikus: „Konkrét számok”<br />
• Állapotváltozók eloszlása,<br />
felületi és térfogati integráljai<br />
• Diagramok
A szimuláci<br />
ció folyamata<br />
1. geometriai reprezentáció<br />
készítés (hálózás)<br />
2. szolver és diszkretizáció<br />
kiválasztása<br />
3. fizikai modellek kiválasztása<br />
4. kezdeti- és peremfeltételek<br />
megadása<br />
5. futtatás – konvergencia<br />
megítélése<br />
6. kiértékelés<br />
7. validáció<br />
Statikus nyomásnöv. [Pa]<br />
450<br />
400<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
A számítás eredményének<br />
összevetése a méréssel<br />
„A rossz eredmény is szép színes!”<br />
Az elhanyagolások és a háló<br />
durvasága halmozott hibát okozhat.<br />
Jelleggörbe összehasonlítás - XXXX-560_X Járókerék<br />
∆p st - Terfogatáram<br />
Mérés<br />
<strong>CFD</strong><br />
0<br />
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000<br />
Terfogatáram [m3/h]
A <strong>CFD</strong> szimuláci<br />
ció előnyei a<br />
hagyományos fejlesztéssel ssel szemben<br />
Számos előnnyel rendelkezik a <strong>CFD</strong> szimuláció<br />
• Nem kell végigjárni a hagyományos fejlesztés<br />
„tervezésprototípusgyártásmérés” folyamatát.<br />
• Gyors és hatékony<br />
• Probléma feltárás<br />
• Vizuális eredmények<br />
• Ismeretek elmélyítése<br />
<strong>CFD</strong> a <strong>Rosenberg</strong>nél<br />
• Az egyedi gép gyártásban szinte minden gép más és más felépítésű<br />
• Gyakran gyártunk gépeket speciális feladatokra<br />
• Nagyban segít az eddig nem tapasztalt kihívásokhoz<br />
• A rugalmassága érdekében a <strong>Rosenberg</strong> Hungária Kft. is rendelkezik saját<br />
<strong>CFD</strong> licensszel.
Erőss<br />
sségek<br />
és s nehézs<br />
zségek,<br />
avagy mire alkalmas a <strong>CFD</strong><br />
Előnyök:<br />
• Egyes esetekben csak ez jöhet szóba:<br />
– Nagy méretek, nagyon kis méretek<br />
– Magas hőmérsékletek, veszélyes közegek<br />
• Hatékonyabb termékfejlesztés<br />
• Rövidebb átfutási idők<br />
• Egyes nem kívánt problémák felderítése már a tervezőasztalnál<br />
Nehézségek:<br />
• Komplett rendszerek szimulációja<br />
• A szimuláció nem teljes körű<br />
– bizonyos fizikai hatások nincsenek figyelembe véve! (pl. vibráció, zaj)<br />
– Ezért mindig a problémának megfelelő modelleket kell kiválasztani (tapasztalat)<br />
– Bizonyos esetekben hatalmas erőforrásigény
Alkalmazás s a légtechnikl<br />
gtechnikában<br />
Számtalan területen alkalmazható, néhány példa:<br />
• Légkezelőgépek és komponenseik fejlesztése<br />
• Légcsatornahálózatok, idomok kialakítása<br />
• Kifúvók fejlesztése<br />
• Helyiségek optimális szellőztetésének kialakítása<br />
• Szennyezőanyagok (gáz, füst) terjedésének vizsgálata<br />
– Épületen belül<br />
– Épületek között (pl.: egy városrész)<br />
• Szélterhelés vizsgálata (pl.: egy nagy sátortetőnél)
Esettanulmányok<br />
nyok
Esettanulmányok nyok : Berendezés s szimuláci<br />
ció
Esettanulmányok nyok : Berendezés s szimuláci<br />
ció<br />
Hőmérsékletviszonyok a légkezelőgépben<br />
Frisslevegős ág<br />
Elszívó ág
Esettanulmányok nyok : Alkatrész optimalizálás<br />
Új hátrahajló radiális átömlésű járókerék vizsgálata<br />
450<br />
400<br />
350<br />
Jelleggörbe összehasonlítás - XXXX-560_X Járókerék<br />
∆p st - Terfogatáram<br />
Mérés<br />
<strong>CFD</strong><br />
Statikus nyomásnöv. [Pa]<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000<br />
Terfogatáram [m3/h]<br />
Relatív sebesség vektorok<br />
Statikus nyomás
Esettanulmányok nyok : Alkatrész optimalizálás<br />
Hangcsillapító<br />
kulisszák
Esettanulmányok nyok : Alkatrész optimalizálás<br />
Konyhai elszívó doboz – a járókerék helyzete<br />
Statikus nyomás<br />
Nyelv kialakításával<br />
Sebesség vektorok
Esettanulmányok nyok :<br />
Problémafelt<br />
mafeltárás<br />
Légkezelőgép-ház (Airbox I60) termikus vizsgálata<br />
Termikusan szétválasztott profil hőmérsékleti<br />
viszonyai<br />
Modulcsatlakozás
Esettanulmányok:<br />
nyok: Gyors átfutású problémák<br />
Az átfutási idő mindössze 1-2 óra<br />
Homokszűrő ellenállása<br />
Statikus nyomás<br />
Sebességábra
Esettanulmányok:<br />
nyok: Gyors átfutású problémák<br />
Az átfutási idő mindössze 1-2 óra<br />
Cseppleválasztó ellenállása és kilépő profil
Konklúzi<br />
zió<br />
• A <strong>CFD</strong>vel végzett termékfejlesztés nagyon sok esetben hatékonyan<br />
alkalmazható<br />
• Nem váltja ki teljesen a hagyományos termékfejlesztést, hanem jól<br />
kiegészítik egymást.<br />
• Komoly szakértelmet igényel<br />
– Fizikai / matematikai ismeretek<br />
– Tapasztalat<br />
Ezzel az előadással is azt szerettük volna mutatni, hogy a<br />
<strong>Rosenberg</strong> felkészült az egyedi feladatok megoldására,<br />
korszerű technikák alkalmazásával.
Köszönöm m megtisztelő<br />
figyelmüket!
Change language