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Hallo,
ich bin recht unerfahren, was Strömungssimulationen angeht, untersuche jedoch gerade eine Strömung in einem Brenner bzw. in einer Düse. Diese Düse ist als Rohr anzusehen (keine Laval-Düse!) und mündet in die freie Umgebung. Wenn ich nun Ethylen und Sauerstoff als Gase angebe und einen Eingangsdruck von 3,3 bar (bei 3000 K) und Umgebungsdruck von 1,0 bar (bei 300 K) einsetze (externe Strömung), entsteht in der Düse eine Überschallströmung, die dort aber nicht sein darf. Bis kurz vor dem Austritt darf die Machzahl max. 1 sein, die Nachexpansion erzeugt schließlich eine kurze Überschallströmung.
Welchen Fehler mache ich, dass mir Floworks eine Überschallströmung anzeigt, wo rein physikalisch keine sein kann?
Ich hoffe, dass mir jemand weiterhelfen kann.
Viele Grüße
Oliver

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Hallo Oliver.

Willkommen im Forum.

Möglicherweise ist Dein Netz zu grob ?
Je nach FloWorksVersion kannst Du auch noch "advanced narrow channel
refinement" (verfügbar in der PE-Version) oder evtl auch die konkrete
Angabe einer "minimum gap size" mal ausprobieren.

Hier
und
hier

gibt es auch noch ein bischen Lesestoff, der vielleicht auch noch etwas
Licht ins Dunkel bringt ?

Roland 

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Hallo Roland,

vielen Dank für die schnelle Antwort. Das Netz ist wirklich sehr grob (die Standard-Einstellung von Floworks) auf Grund der erhöhten Rechenzeit, die ich für ein feines Netz einsparen wollte. Für den Anfang wollte ich es nämlich nicht so genau haben, nur die angezeigte Überschallströmung hat mich dann stutzig gemacht. Ich habe auch eine externe Strömung angesetzt mit zwei Inlets für verschiedene Gase, die durch die Düse strömen und bei "Thermodynamic paramteres" im Wizard die Umgebungsbedingungen eingegeben. Die Strömung ist "low Mach-number", adiabat und reibungsfrei. Zuviele Boundaries wollte ich nicht angeben, weil sich Drücke bei kompressiblen Gasen einstellen müssen.
Vielen Dank auch für die Verlinkungen. Das Netz werde ich jetzt verfeinern und sehen, ob das rauskommt, was ich auch erwarte...

Viele Grüße
Oliver

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Brennerstroemung.JPG

Hallo nochmal,
ich habe versucht, sämtliche Tips zu beachten, aber die Überschallströmung in der Düse (ein Rohr) entsteht immernoch. Das Bild ist etwas verwirrend, die Strömung beginnt in der Brennkammer (Massenstrom der Gase gegeben und p_stat = 3,7 bar) und wird durch eine Umleitung in die Düse geführt (Umleitung nicht zu sehen, schräge Ebene). Durch die Düse strömt das heiße, unter Druck stehende Gas in die freie Umgebung (blau; 1 bar, 300K), wobei die angezeigte Überschallströmung nicht entstehen darf (nur Ma = 1). Irgend eine Randbedingung ist falsch oder habe ich vergessen.
Zudem habe ich eine externe Strömung und eine interne Strömung ausprobiert, nur leider führt beides nicht zum Erfolg. Bei der externen Strömung entsteht sogar ein Unterdruck in dem Rohr, der dort auch nicht sein darf, sodass es wohl zu einem Verdichtungsstoß kommt (so sieht das Bild aus; von Überschall plötzlich auf Unterschall und Druck steigt auf Umgebungsdruck)...
Wo könnte noch ein Fehler sein?

[Diese Nachricht wurde von olli080181 am 13. Mrz. 2009 editiert.]

[Diese Nachricht wurde von olli080181 am 13. Mrz. 2009 editiert.]

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Hallo olli,

Deine Parameter will ich um diese späte Stunde nicht nachrechnen; da gehe ich davon aus, Daß Du das zur Genüge getan hast...

Was allerdings die Vernetzungsoptionen angeht:

Du solltest bei einem solchen Strömungszustand den Querschnitt mit wenigstens 6 ... 8 Zellen auflösen (in diesem speziellen Fall würde ich aus dem Bauch raus eher noch mehr nehmen, weil Du zu den Wänden hin knackige Gradienten kriegst, die das Netz ja irgendwie abbilden muß).

Diese Auflösung mußt Du auch noch für den Freistrahl eine Weile beibehalten, denn in den Grenzbereichen zwischen Freistrahl und umgebendem Fluid passiert durch die Vermischung ja noch mehr als im Rohr.

Eine solche Verntzungssteuerung läßt sich mit FWX PE bewerkstelligen.

Zur Kontrolle solltest Du Dir das mesh einblenden (wird unter SWX-Optionen "Drittfirma" freigeschaltet.

Wenn Du das ausprobiert hast und die Ergebnisse sind immer noch daneben, dann kanns noch an der Wärmeübertragung zwischen Gas und Wandung durch Strahlung liegen oder an chemischen Reaktionen. Bei 3000 K kann ich mir nicht vorstellen, daß Ethylen noch als solches vorliegt und schon gar nicht, wenn Sauerstoff im Spiel ist. All das kann FWX nicht.

Gruß

Ron

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Hallo reflow,
gute Hinweise. Das Netz habe ich verfeinert und nur die Düse durchrechnen lassen. Das Netz war so grob, dass zum Teil die Rechtecke von innen über die Wandung ins Freie gingen. Es ist komisch, dass die Austrittsgeschwindigkeit stimmt, jedoch die Strömung innerhalb des Rohres viel zu schnell ist und der Druck nicht stimmt. Floworks gibt in der Düse einen Druck an, der weit unter Umgebungsdruck liegt und das ist unmöglich, da auch bei der ausgegebenen Überschallströmung ein Verdichtungsstoß auftreten müsste und somit der Druck steigt. Ich glaube, dass es auch an den Goals liegt, die ich gesetzt habe. Aus dem COSMOSFloworks 2008 Tutorial werde ich in der Hinsicht nicht wirklich schlau. Ich habe Massenstrom inkl. Druck und Temp. am Einlass und Umgebungsdruck in der Umgebung.

Zu den 3000 K und Ethen:
Die 3000 K entstehen durch die Verbrennung von diesem Gas mit Sauerstoff. Die Simulation wollte ich eigentlich mit den Edukten machen, weil es größtenteils auf die Düse ankommt (simulationstechnisch).

Was mich auch wundert ist, dass in der gesamten Baugruppe des Brenners sprich Brennkammer und Brennkopf sinnvolle Ergebnisse herauskommen, die ich sogar nachgemessen habe (jedenfalls den statischen Druck nach der Umlenkung), nur bei der Düse erhalte ich "sinnfreie" Ergebnisse. Hat das etwas mit der Strömung ins Freie zu tun?

Ich hatte mal eine Übung in Ansys 11 Classic mit einem Diffusor gemacht und meine mich noch dran erinnern zu können, dass ich keine Goals usw. angeben musste...

Viele Grüße
Oliver

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Ejector.jpg

Hallo Oli.

Habe dazu noch was in der internen Cosmos Knowledge Database gefunden.

Roland

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Hallo,

vielen Dank nochmal für die vielen Hilfestellungen. Da seit dem letzten Posting viel Zeit vergangen ist, möchte ich nun abschließend für andere "Interessierte" meine Erfahrungen schreiben.
Floworks hat meiner Meinung nach große Schwierigkeiten, eine Rohrströmung eines kompressiblen Fluids im transsonischen Bereich zu berechnen. Ein großer Nachteil ist die Netzgenerierung, die kein ungeordnetes Netz (z.B. die Generierung von Tetraeder) zulässt. Das Netz füllt nicht den gesamten Fluidraum aus und erkennt die Kontur des Modells nicht immer genau, sodass es im Verlauf der Strömung zu Querschnittserweiterungen kommen kann, die im Realfall nicht vorhanden sind. Auch die Netzquerschnittsfläche ist nicht immer gleich der Strömungquerschnittfläche. Daraus resultieren Geschwindigkeitsgradienten, die sogar zu einer Überschallströmung führen, die strömungsdynamsich unmöglich ist. Auch das Anliegen des Netzrandes an der Kontur ist auf Grund der unterschiedlichen Geometrien nicht möglich (Kreisquerschnitt mit Rechtecken ausgefüllt). Damit fällt es der Software zudem schwer, eine Rohrströmung mit räumlichen Charakter wie Umlenkungen und Reibungseinfluss korrekt zu beschreiben.
Versucht man sogar, Strömungen durch Laval-Düsen (konvergent-divergente Düsen) darstellen zu lassen, ist mit fehlerhaften Ergebnissen zu rechnen. Ich habe stets die Ergebnisse mit Berechnungen per Hand kontrolliert. Damit ist Floworks aber nicht alleine, da eine Überschallströmung auch für andere Programme eine harte Nuss ist.
Auch die Vorgehensweise bei der Auswahl der geeigneten Boundaries ist nicht eindeutig. Setzt man Druckdifferenzen ein, ist das Ergebnis abweichend zu dem des Massenstrom-Inlets. Auch die Massenerhaltung wird im transsonischen Bereich NICHT eingehalten. Überprüft wurde die an einer konvergenten Düse mit anschleißendem zylindrischen Rohr. Die Massenerhaltung wurde um bis zu 30% verfehlt. Eine Abweichung von 1-2% wäre dagegen in Ordnung gewesen.
Weiß zufällig jemand, ob die Masse beispielsweise am Inlet auf die Querschnittsfläche des Netzes aufgeteilt wird? Denn da würde der Fehler liegen. Wie oben erwähnt, wird der Kreisquerschnitt nicht genau mit Rechtecken/Quadraten ausgefüllt. Prozentual variiert der Anteil der erkannten realen Fläche je nach Querschnittsgröße.
Auch die Berechnung von kleinen Strömungsablösungen ist nicht möglich, da sich einerseits das Netz dazu nicht eignet und andererseits das k-epsilon-Modell nicht dissipativ genug ist.
Auch die Darstellung bzw. Berechnung von Verdichtungsstößen ist auf Grund des Netztyps nicht möglich. Die sind aber ein erheblicher Faktor für die Auslegung von Düsen und ganz besonders von Laval-Düsen.

Fazit für mich:
Floworks eignet sich für Unterschallströmungen kompressibler Fluide in nicht-kreisförmigen Querschnitten ganz bestimmt. Aber je nach Geoemtrie und steigender Fluidgeschwindigkeit treten Fehler auf, die besonders auf den Netztyp zurückzuführen sind. Diese Fehler sind so groß, dass man sagen muss, dass die Software für die Berechnung von schnellen Strömungen besonders im trans-/supersonischen Bereich völlig ungeeignet ist, da auch die Massenkontiunuität fehlerhaft ist. Sollte man in die Verlegenheit geraten, eine ähnliche Strömung wie meine mit Floworks berechnen zu wollen, muss man erheblich Abstriche machen und das Programm quasi zum richtigen Ergebnis "begleiten".
Als weiterführende und sehr interessante "Literatur" möchte ich die Dissertation von (damals) Dipl.-Ing. Christian Beinert "Eignung numerischer Strömungssimulation zur Bestimmung des Betriebsverhaltens von Industriearmaturen"  empfehlen.
Ich hoffe, dass ich damit vielleicht jemandem helfen kann. Für andere Meinungen oder Erfahrungen wäre ich dankbar.

Viele Grüße

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Hallo Oli.

Danke schön für Deine Rückmeldungen.

Deine Erfahrungen passen auch zu meinen bisherigen Erkenntnissen.
Ich habe mal vor ca. 2-3 Jahren einige Zeit damit verbracht,
bekannte Strömungsverhältnisse in unseren Regelventilen nachzubilden.

Fluid kommt durch ein relativ grosses Rohr und wird dann durch einen
sehr kleinen Spalt, den eine Bohrung und ein Stahlkegel definieren,
gepresst.
Für verschiedene Hubstellungen kannte ich die zugehörigen Drücke
sowie die zugehörigen Volumenströme.
Für relativ große Spalte und somit reltiv geringe Druckunterschiede
waren die Simulationen gut zu gebrauchen.
Aber für sehr kleine Spalte bzw. sehr große Sprünge im
Querschnitt des Fluidraumes war dann schnell Ende der Fahnenstange.
(Unter anderem nätürlich auch aufgrund der sehr hohen Fließgeschwindig-
keiten in dem kleinen Spalt).

Bei ein paar wenigen Simulationen konnte ich mir mit einem Trick
behelfen:
Man nützt die Symmetrie des Fluidraumes aus.
Entweder über Anpassen der Computional Domain oder über Überdeckung
mittels eines Dummys und definieren einer Boundary "ideal wall"
auf die Grenzfläche.

Ich konnte dann aus Zeitgründen diese Angelegenheit nicht weiter
verfolgen, aber wie gesagt, dass passt durchaus zu Deinen
Beobachtungen.

Gruß
Roland

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