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Hallo Leute,

ich war zuerst im falschen Forum und hoffe hier kann mir jemand weiterhelfen!
Ich arbeite grade an einer Simulation des Strömungsvorganges in und nach einer Lavaldüse. Ich verwende dazu Fluent 6.2.16! Hat jemand eine Idee wie ich den Freistrahl nach der Düse darstellen könnte?! Die Strömung in der Düse hab ich schon berechnet. Wobei ich mir da auch nicht sicher bin ob die Ergebnisse stimmen, da aus Messungen (Staudruck) an der reellen Düsen wesentlich geringere Geschwindigkeiten bestimmt wurden. Es ist nun die Frage ob die Messung oder die Berechnung falsch ist. Bei den Messungen wurde eine spezielle Formel verwendet die für Mach größer 1 gilt. Wobei ich mir nicht sicher bin ob der Effekt des Verdichtungsstoss berücksichtigt wird oder nicht (aus Lit.: H. Eckelmann: Einführung in die Strömungsmesstechnik, Teubner Verlag).
Bei der Berechnung habe ich mit idealem Gas, gekoppeltem Solver, K-epsilon- Modell gerechnet, RB: pressure in- und outlet etc.!Ist es eigentlich ausreichend mit idealem Gas zu rechnen oder sollte mit reales Gas gerechnet werden, wenn ja dann wie? Außerdem rechne ich mit einem 2D- Modell, welches ich aber als Achsensymmetrisch definiert habe. Als Gitter habe ich ein Blockstrukturiertes Gitter generiert um so die entsprechenden Gebiete von vornherein fein vernetzt zu haben.

Hat jemand eine Idee was ich in der Berechnung nicht beachtet haben könnte??
Wie kann ich einen Freistrahl im Anschluss an eine Düse darstellen??

Danke euch im vorraus und Grüsse aus Berlin

Micha

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Hallo Micha,

ob Du ein ideales Gas oder ein reales Gas hängt erst mal von Deinem Gas und in welchem Betriebsbereich Du es betreiben willst. Wasserdampf ist in weiten Bereichen nicht mit einem idealen Gas-Gesetz beschreibbar (daher gibt es die entsprechenden Zustandsdiagramme (h/s etc.)) bei O2 und N2 (also z.B. Luft) gilt meist das ideale Gasgesetz, hängt aber dann auch vom Druck/Temperaturbereich ab.
Die Strömung durch die Düse mit Ausströmen sollte durch Ansetzen der Ruhewerte (Geschwindigkeit sehr klein, Ruhedruck, Ruhetemepratur, Ma=0) in einem ausreichend großen Eintrittsquerschnitt und einem gut gerundetem Einlauf bis zum engsten Querschnitt auf Ma=1 möglich sein. Dann kommt es auf die Expansionskontur an ob sich eine stabile Überschallströmung ausbildet. Somit sollte Dein Gitter den Konturverlauf der Düse möglichst gut abbilden (gute Auflösung der Wandgrenzschicht, "smoothes" Gitter). In der Freistahlzone würde ich auch pressure-outlets ansetzen. Ich würde aber darauf achten, dass das Berechnungsgebiet gross genug ist, dass im Ausströmrand Unterschall vorliegt. Falls es Probleme mit den pressure outlets gibt, würde ich in der Strahlverlängerung ein pressure outlet ansetzen und am äußeren rand in axiale Richtung es mit einer Symmetrie-RB veruschen. Dann wird allerdings das Einsaugen in den Strahl nicht richtig berechnet, aber als Test ist das sicher hilfreich.
Die Berechnung würde ich mit recht grossen CFD-Zahlen (~100 ) versuchen zu starten damit sich das Strömungsgrundmuster recht schnell ausbildet (wenn es konvergiert). Dann würde ich das Gitter mehrmals adaptieren und die CFL Zahl heruntersetzen.
Messen würde ich erst mal im Unterschallbereich. Wenn das funktioniert mich mit den Messungen an den Überschallbereich heranwagen. Die Überschall-Staurohre müssen meines Wissens auch eine andere Form haben, damit sich ein bestimmtes Stoßmuster ergibt, aus dem dann der Zustand vor dem Stoß zurückgerechnet werden kann.
Welcher Strömungszustand sich im Austritt Deiner Lavaldüse einstellen sollte, kannst Du recht einfach mit den Expansionsgleichungen vergleichen, denn zu jedem Druckverhältnis p0/pu gibt es genau eine stabile Ausstrittsmachzahl aus der Düse.

Gruss

U. Heck

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Dr.-Ing. Ulrich Heck
ulrich_heck@dhcae.de
http://www.dhcae.de

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Hallo,

als Gas verwende ich Luft, in einem Druckbereich von 3-10bar, dann ist ja das Ideale Gas ausreichend?!
Vielleicht habe ich das mit den RB für den Freistrahl falsch verstanden, denn wenn ich in der Umgebung die Ränder als outlets definiere dann konvergiert es nicht oder bei kleiner Courantzahl (<1) kommen sehr eigenartige Lösungen heraus. Also nochmal zum Verständnis,
zuerst kommt die Düse mit RB: pressure-inlet, den Ausgang der Düse habe ich mit dem Gebiet verbunden (Interface), am Rand des Gebietes dann pressure-outlets?  Habe ich dann aber auch den richtigen Umgebungsdruck direkt nach der Düse? Muss dazu der Operating pressure auf Umgebungsdruck eingestellt werden? Im übrigen habe ich den Solver 2D-Achsensymetrisch eingstellt, somit hätte ich doch schon eine Art Sym-RB?
Die Berechnung (nur für die Düse) konvergiert nur mit einer CFL-Zahl von 3 und kleiner, ansonsten reduziert Fluent die TimeSteps von selbst und die Residuen schießen in die Höhe!
Beim Adaptieren steigt Fluent auch manchmal aus, kann das am Blockstrukuriertem Netz liegen wenn Fluent versucht die Übergänge feiner zu Vernetzen?
Ich sollte vielleicht noch anfügen das die Düse zum Strahlen mit festem CO2 (es soll aber kein Phasenübergang simuliert werden) verwendet wird und deshalb sich in der Düse noch ein Röhrchen befindet in dem Partikel der Strömung zugegeben werden. Das habe ich jetzt aber noch nicht gemacht, da ich erstmal den Vorgang ohne Partikel auskonvergieren lassen wollte und wenn das dann stimmt die Partikel hinzufügen und instationäer rechnen. Dieses Röhrchen ragt bis in den engsten Querschnitt hinein und hat auch RB pressure Inlet, aber nur 3bar!Arbeitet die Düse dann trotzdem noch nach dem Laval-Prinzip? Eine Venturidüse hat ja einen zylindrischen Halsteil dieser ist hier nicht wirklich vorhanden und die Partikel werden in der mitte zugegeben??! Wenn ich die Düse mit entsprechen Formeln von "Hand" berechnen wollen würde, wäre dann der Eintrittsquerschnit nur die Kreisfläche?
Das mit dem Druckverhältnis scheint ganz gut zu funktionieren, ich habe P-eingang=6bar und P-umgebung=1bar, dafür erhalte ich dann Ma~2 und das stimmt ganz gut mit der Lösung von Fluent überein!

Gruss Micha

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freistrahl.gif

Hallo Micha, anbei eine Skizze, wie ich die Strömung modellieren würde. Ich hoffe sie ist rübergkommen, als attachemnt wurde aus der gif-Datei ein txt. Unten auch der Machzahlverlauf auf der Mittellinie. Du startest mit Ma=0, hast im engsten Querschnitt Ma=1, im Austritt Ma=2, dann eine Überschallkernlänge von ca. 25 d Laval und im Austritt (50*d laval) würde ich so auf Ma= 0.4-0.5 tippen. Dein Röhrchen wird wahrscheinlich schon sehr die Strömung beeinflussen, da eine kontrollierte Expansion nach dem engsten Querschnitt eigentlich recht wichtig ist. Somit würde ich die Lavaldüse und den Freistrahl getrennt berechnen, da man sich sonst zu viele Unbekannte einhandelt.

Gruss

U. Heck

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Dr.-Ing. Ulrich Heck
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Noch ein Hinweis der mir erst beim zweiten Lesen aufgefallen ist:
Interfaces (wenn das inkompatible Gitterübergänge bedeutet) würde ich in dem sensiblen Bereich unbedingt vermeiden.
Dann noch Luft geht sicher als ideales Gas in dem p/T-Bereich. Operating pressure sollte egal sein: Entweder Du definierst den Operation pressure als Umgebungsdruck und alle Durckgrößen als Überdruck oder den operation pressure als 0 und dann alle Druckgröße absolut (sicherheitshalber noch mal ins Handbuch schauen).
Im Zweifelsfall würd ich die quad-elemente vorziehen, obwohl ich das damals mit tri-Elementen gerechnet habe.

Gruss

U. Heck

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Dr.-Ing. Ulrich Heck
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Hallo Ullrich,

erstmal vieln Dank für die Hilfe bis hierhin und für die Skizze. Aber ich hab nochmehr Fragen.
Wenn ich das getrennt berechnen will dann am Outlet der Düse die Ergebnisse in diese sog. Profiles schreiben und dann am Eingang diese Daten als Bedingung setzten? Ist dann für den Eingang in die Umgebung pressure- oder velocity-inlet sinnvoller?
Die Interfaces sind für die Übergänge verschiedener Netze, die entsprechenden Interfaces werden dann über Define>Grid-interfaces miteinander verbunden, vorher mit Tmerge zusammen gefügt. Wenn ich aber die Düse nur mit einem Netz belege, sind die Zellen aufgrund des Röhrchens an dieser Stelle stark verzogen (die Zellen quetschen sich quasi da durch) und im konvergenten Teil der Düse habe ich dadurch einen Streifen der sehr fein vernetz ist. Kann darüber hinwegsehen wenn ich dann sowieso das Netz adaptiere und Kann ich mich auf die Aussagen in Gambit (Examine-Mesh) über die Qualität des Netzes verlassen?
Das mit dem operating pressure ist so wie Du sagst, wenn ich das Englische Handbuch richtig verstanden habe, aber ich denke schon!
Achso wenn ich Achsensymmetrisch rechne und dann später noch die Partikel dazugeben will, haben diese dann auch eine Masse? Ist ja im 2D Fall etwas schwierig?

Grüsse aus Berlin
Micha

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Hallo Micha,

kannst Du mal einen Screenschot Bild Deiner Konfiguration anhängen? Ich arbeite nicht mit Gambit. So richtig kann ich mir das Modell nicht vorstellen, trotzdem würde ich versuchen ein kompatibles Gittermodell zu erzeugen und wenn quad-Zellen zu deformiert sind, würde ich einen Teil unstruktiert mit Tri-Elementen vernetzen. Im Wandbereich, also dort wo sich Grenzschichten ausbilden, würde ich jedoch einige quad-Layer vorsehen.
Wenn du z.B. mit dem DPM-Modell Partikel zufügst, sind das immer Kugeln. Ich habe diesbezüglich mal bei Fluent nachgefragt, da mir auch auch nicht richtig klar ist, wie sie die fehlende Dimensions behandeln. Wenn sie sich im Schwerefeld (g) bewegen sollen, mußt Du dieses allerdings einschalten.
Wenn du mit profiles arbeiten kannst, würde ich das velo-inlet immer vorziehen, einmal konvergiert es sicher besser und ausserdem wird beim pressure inlet meines Wissens ja z.B. nicht der lokale Druck sondern der Ruhedruck definiert, den Du den profiles ja nicht ohne weiters entnehmen kannst.

Gruss

Ulrich

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Dr.-Ing. Ulrich Heck
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d1.JPG d2.JPG interfaces.JPG

Hallo Ullrich,

in dem zip Archiv sind drei Bilder, einmal die gesamte Düse, dann habe ich noch den besagten Bereich etwas vergrößert und auch mal die Konfiguration mit den zusammengefügten Netzen dargestellt. Dadurch hätte ich ja dann nicht das Problem mit den deformierten Zellen! Ich werde es aber mal mit einem kompatiblen Netz versuchen.  Die Boundary Layer hab ich schon bei meinen vorherigen Berechnungen verwendet.
Existiert denn überhaupt eine andere Möglichkeit die Düse und den Freistrahl getrennt zu berechnen, außer über die Profiles?
Also kann ich davon ausgehen das die Partikel eine Masse haben wenn das Schwerefeld aktiviert ist, zumal ich bei den Einstellungen für das Material des DPM auch die Dichte und den Massenstrom angeben kann bzw. muss.

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Hallo Micha,

ich kann die Dateien nicht öffnen und das zip-Archiv nicht herunterladen.
Kannst Die die Bilder direkt (ungepackt) reinstellen?
Eine Masse sollten die Partikel schon haben. Bei inerten Partikeln sehe ich da noch die geringsten Schwierigkeiten. Nur frag' mich nicht wie z.B. wie die Massenerhaltung erreicht wird, wenn eine Partikel z.B. verdunstet und Masse von einer Kugeloberfläche (3d)  der Partikeln in die kontinuierliche Phase (2d axialsymmetrisch oder eben) übergeht... Wenn Du Klarheit auf diesem Gebiet gewonnen hast, würden mich Deine Erfahrungen da interessieren.  Vermutlich wird Dein Trockeneis ja auch nicht inert bleiben...

Gruss

Ulrich

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d1.JPG d2.JPG interfaces.JPG

Hallo,

Ich hoffe Du kannst jetzt die Bilder runterladen!
Den Phasenübergang wollte ich vorerst nicht berücksichtigen, da ein Modell für eine Sublimation meines Wissens in Fluent nicht existiert, oder etwa doch? Ich bräuchte dann ja eins von Solid direkt zu Gas.
Wenn ich die Strömung und (vorerst inerte) Partikel sinnvoll simuliert kriege werde ich da natürlich weitermachen. Später soll eventuell auch noch das Akustikmodell eingeführt werden. Hast Du mit dem schon mal gearbeitet, wenn ja wie gut ist das?
Sind die Profiles die einzige Möglichkeit den Freistrahl getrennt zu berechnen?

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laval.gif

Profiles sind in Deinem Fall sicher der beste Weg. Andernfalls bleibt nur die Annahme, das die Strömung durch die Düsen isentrop ist, dann kann man auch mit den isentropten Expansionsgleichungen den Austritt aus der Düse zu berechnen.
Deine Interfaces würde ich jedem Fall rauswerfen. Ich würde die Düse in einzelne Flächen teilen, dann sollte sich sich ein recht gutes Gitter generieren lassen, ähnlich der beiliegende Skizze nur um den Faktor 5-10 feiner.
Das Deine Düse als Lavaldüse arbeitet wage ich zu beweifeln. Ich würde schon im Einlauf eine Strömungsablösung erwarten und der Expansionswinkel scheint mir zu gross. Der Einlauf sollte in der Simulation und technisch gut gerundet sein und bei der Expansion gibt es bestimmte Winkel einzuhalten (Prandtl-Mayer-Expansionsfächer).

Für den Freistrahl mußt Du in jedem Fall in radiale Richtung ein größeres Berechnungsgebiet anschliessen. So sieht's mehr nach einem Rohr (auch mit der RB-Wand?) aus (meine 1. Skizze).

Dann noch Dein Röhrchen...Wenn nichts dort auströmt wird sich hier eine Zirkulationsströmung einstellen. Ansonsten hängt's natürlich von den Austrittsbedingungen ab was dort passiert.

Gruss

U. Heck

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Hallo,

die Bilder von mir zeigen die komplette Düse, die ich simulieren soll. Das Gebiet dahinter habe ich auf jeden Fall größer gemacht, in axialer Richtung ca. 1m und in radialer 0,5m. Das ist klar.
Aus dem Röhrchen strömt auch Luft mit 3bar und die Partikeln  aus. Das sieht in den bisherigen Simulationen ganz gut aus.

Danke erstmal, ich versuch mit den aufgeteilten Flächen nochmal.

Micha

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Hallo,

also mit den Profiles klappt das ganz gut. Wobei wenn ich eine Velocity-RB verwende nicht mehr kompressibel rechnen kann. In den  Berechnungen der Düse ist die Dichte in der Nähe des Austritts wieder ungefähr Normdichte. Es müsste dann ja in Ordnung sein.
Es existiert aber noch ein weiteres Problem und zwar die berechneten Geschwindigkeiten in der Düse erscheinen mir etwas sehr hoch, z.B. bei absolut Drücken Einlass(Strahl)=6bar, Einlass(Partikel)=4bar und am Auslass Umgebubgsdruck. ergibt sich eine Geschwindigkeit von ca. 500m/s. Auch bei geringen Drücken sind ist die Geschwindigkeit sehr hoch. Habe ich was entscheidendes Vergessen, wo könnte der Fehler liegen???
Wie kann ich denn mit der Isentropen- Expansionglg rechnen, d.h. wo stelle ich was ein?

Gruss Micha

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