Flow Simulation Tipp: Implementieren eines rotierendes Netzes und freier Flächen

Anhand dieses Tipps untersuchen wir ein Strömungsproblem bei einem rotierenden System in Verbindung mit der Funktionalität der freien Oberfläche.

Bei dem untersuchten System handelt es sich um einen Labor-Magnetrührer. Ein Stabmagnet wird in die zu mischende Lösung getaucht, dieser wird durch einen Motor mit variabler Geschwindigkeit in Rotation versetzt.

Der Rührer des radialen Typs verursacht folgende Bewegung: Die Flüssigkeit bewegt sich von der Mitte des Behälters weg, wird dann vom Rührer zu den Wänden getrieben, von wo sie wieder zur Mitte zurückgeführt wird. Wir werden dieses Phänomen mithilfe von SOLIDWORKS Flow Simulation aufzeigen und anhand dieses Beispiels sehen, wie man sein CFD-Modell gut vorbereitet, um qualitative Ergebnisse zu erzielen.

Hinweis: Dieser Tech Tip wurde mit SOLIDWORKS 2022 SP1 erstellt.

Einige Hinweise

Freie Oberfläche:

Flow Simulation ermöglicht die Modellierung zweier unmischbarer Flüssigkeiten mit einer freien Oberfläche. Flüssigkeiten werden als unmischbar bezeichnet, wenn sie ineinander völlig unlöslich sind. Eine freie Oberfläche ist eine Grenzfläche zwischen nicht mischbaren Flüssigkeiten, z. B. einer Flüssigkeit und einem Gas (jedes Flüssigkeitspaar, das zu den nicht-newtonschen Gasen, Flüssigkeiten oder Flüssigkeiten gehört, mit Ausnahme von Gas-Gas-Paaren, ist zulässig).

Allerdings sind in dieser Version (2022) nicht alle Phasenübergänge (einschliesslich Feuchtigkeit, Kondensation, Kavitation), axiale Periodizität, Oberflächenspannung und Grenzschicht an einer Grenzfläche zwischen unmischbaren Flüssigkeiten erlaubt.

In Flow Simulation werden freie Oberflächen mithilfe der Volume-of-Fluid Methode (VOF) modelliert, indem ein Satz von Momentengleichungen gelöst und der Volumenanteil jeder der Flüssigkeiten auf der Domäne verfolgt wird.

Die VOF-Methode basiert auf dem Konzept, nach dem der Volumenanteil eines Fluids einen Wert zwischen 0 und 1 haben muss. In einem Zweiphasensystem muss der Volumenanteil des Fluids in den Vernetzungszellen der Flüssigkeit 1 betragen, während er in den Gaszellen 0 beträgt. Die Stelle einer freien Oberfläche ist die Stelle, an der der Volumenanteil der Flüssigkeit von 0 auf 1 wechselt.

Rotation:

Wenn Sie mit einer rotierenden Vorrichtung arbeiten, können Sie die Strömung in dem Koordinatensystem modellieren, das mit der rotierenden Vorrichtung rotiert.

Sie können eine Statorfläche (die sich nicht mit dem rotierenden Bezugssystem dreht) definieren, die symmetrisch zur Rotationsachse ist. Dazu müssen Sie die Randbedingung “Stator” bewegliche Wand verwenden.

Es gibt drei mögliche Definitionsarten:

Globale Rotation
Lokale Region(en) (Mittelwertberechnung)
Lokale Region(en) (Gleitend)

Vorbereitung des SOLIDWORKS-Modells

Das SOLIDWORKS Modell wurde wie folgt vorbereitet:

Behälter mit der Flüssigkeit
Magnetischer Stab
Dummy-Teil, das zur Erstellung eines lokalen Netzes am Rührwerk und zur Definition des rotierenden Bereichs verwendet wird
Teil, das das Volumen der Flüssigkeit definiert

Erstellung des Flow Simulation-Projekts

Das neue Projekt wird mit Hilfe des Assistenten wie folgt erstellt:
Es handelt sich um eine Externe, Zeitabhängige Studie (wir stellen die Dauer der Studie auf 3s ein). Die Schwerkraft wird hier entlang der Y-Achse eingestellt, ebenso wie die Rotation mit der Option “Lokale Region (Gleiten)” und natürlich die Option “Freie Fläche“.

Auf der zweiten Seite werden die beiden Arten von Flüssigkeiten definiert, die in der Studie vorkommen: Luft und Ethanol.

Auf den letzten beiden Seiten werden die Standardwerte beibehalten. Wir überprüfen trotzdem, ob das Anfangsfluid auf Luft vor eingestellt ist.

Wir können nun die Randbedingungen definieren.

Komponente, die von der Analyse ausgeschlossen werden soll

Mit einem Rechtsklick auf “Input Data” können wir den Befehl “Component Control” aktivieren.

Wir achten darauf, die Komponenten Dummy-2 und Fluid-1 auszuschliessen, da sie nur dazu verwendet werden Regionen von Interesse festzulegen (Rotation, Vernetzung usw.):

Definition der Randbedingungen

Überprüfung der Berechnungsdomäne

Flow Simulation erstellt automatisch den Rechenbereich, der das Modell enthält. Der Rechenbereich ist ein rechteckiges Parallelepiped. Die Grenzen des Rechengebiets sind parallel zu den Ebenen des globalen Koordinatensystems.

Definition der rotierenden Region

Wir wählen den Raum “Dummy” aus und stellen dann eine zeitabhängige Rotationsgeschwindigkeit in Umdrehungen pro Minute ein, um eine Beschleunigungsphase zu erhalten.

Randbedingungen der Wand

Wir wählen eine Wand vom Typ “Real” aus, um eine nicht drehbare Wand in einem lokalen Rotationsbereich zu definieren. Wir wählen die Bodenfläche unseres Raumes “Container” aus.

Jetzt müssen wir noch die Stator-Bedingung aktivieren, um eine feste, nicht drehbare Wand anzugeben. Wenn der Wandtyp “Stator” ausgewählt ist, ist die Tangentialgeschwindigkeit an dieser Fläche gleich Null.

Anfangsbedingung

Nun müssen wir das Volumen angeben, das die zweite Flüssigkeit, nämlich Ethanol, enthält. Wir wählen den Raum “Fluid1” aus.

Alle Werte sind voreingestellt, wir prüfen nur, ob die Stoffkonzentration in diesem Bereich tatsächlich 100 % Ethanol beträgt.

Erstellen der Ziele

Flow Simulation betrachtet jedes stationäre Strömungsproblem anfangs als Übergangsproblem. Das Solvermodul durchläuft eine Reihe von Iterationen in einem intern festgelegten Zeitschritt, um ein stationäres Strömungsfeld zu finden. Wenn Sie die Berechnungen abbrechen möchten, benötigen Sie ein Kriterium, mit dem Sie bestimmen können, ob ein stationäres Strömungsfeld gefunden wurde.

Flow Simulation enthält Kriterien für den Abbruch der Lösungssuche, aber wir empfehlen Ihnen, Ihre eigenen Kriterien zu verwenden, die auch als Ziele bezeichnet werden. Sie definieren Ziele als physikalische Parameter, die für Ihr Projekt von Interesse sind. Aus technischer Sicht kann man ihre Konvergenz daher als Mittel zum Erreichen einer Lösung im stationären Zustand betrachten. Beachten Sie, dass die Konvergenz der Ziele eine der Voraussetzungen ist, um die Berechnung abzuschliessen.

Das Setzen von Zielen verhindert nicht nur mögliche Fehler bei der Berechnung der Werte dieser Parameter, sie verkürzen in den meisten Fällen auch die Gesamtlösungszeit. Sie können das Konvergenzverhalten der Zielvorgaben während der Berechnungen überwachen und den Lösungsfindungsprozess manuell unterbrechen, wenn Sie entscheiden, dass es nicht notwendig ist, die Berechnungen fortzusetzen.

In unserer Studie haben wir die folgenden Ziele definiert:

Einstellungen für das Netz

Um das Netz unserer Studie qualitativ hochwertig zu gestalten, insbesondere in Bereichen wie der Rotationsregion oder der Grenzregion zwischen zwei nicht mischbaren Substanzen (Luft / Ethanol), müssen wir eine Reihe von lokalen Netzen definieren, um die Genauigkeit der Ergebnisse in diesen Bereichen zu erhöhen.

Globale Netz Einstellung

Die Anzahl der Zellen ist in allen drei Richtungen auf 10 eingestellt.

Lokale Vernetzung 1

Hier definieren wir eine Verfeinerung des Netzes im Grenzbereich zwischen den beiden nicht mischbaren Substanzen. Dazu erstellen wir manuell eine zylindrische Region:

Wir verfeinern (splitten) die Fluidzelle zweimal in Bezug auf die Grösse des globalen Netzes.

Lokale Vernetzung 2

In dem Bereich, in dem sich der Vertex potenziell ausbreiten kann, ist es sinnvoll ein lokales Netz anzulegen. Auch hier definieren wir manuell eine zylindrische Region:

Lokale Vernetzung 3

Wir definieren ein lokales Netz in der rotierenden Region, indem wir den Dummy Dummy-2 auswählen. Die Verfeinerung der Zellen im Fluidbereich und im geteilten Fluid/Festkörperbereich wird auf 3 erhöht.

Tipp: Tipp: Wenn Sie das Kästchen “Display Refinement Level” aktivieren, können Sie den Verfeinerungsgrad der Zelle auf Basis der Zellengrösse des globalen Netzes anzeigen lassen und so die Dichte der erhaltenen Zellen direkt visualisieren. Dies ermöglicht es Ihnen, eine geeignete Wahl für die Einstellung “Refining Cells” zu treffen.

Lokale Vernetzung 4

Wir definieren in diesem vierten lokalen Netz eine äquidistante Verfeinerung. Wieder wird die Dummy-Komponente Dummy-2 ausgewählt. Das Ziel dieses lokalen Netzes ist es, am Rand des Dummy-Zylinders der rotierenden Region ein gleichmässiges Netz zu erzeugen, um einen guten Übergang durch die Domäne zu gewährleisten.

Weitere Details zu dieser Netzverfeinerung finden Sie in der Hilfe der Software.

Überprüfen der Vernetzung

Nachdem wir unsere Netzeinstellungen vorbereitet haben, ist es möglich, nur die Auflösung des Netzes zu starten. Deaktivieren Sie dazu zunächst das Kontrollkästchen “Solve“. Dies ermöglicht es Ihnen, einige Änderungen am Netz vorzunehmen, bevor Sie die vollständige Auflösung der Analyse starten.

Wir erhalten das folgende Netz:

Wir erkennen sehr deutlich die Verfeinerungsstufen, die wir mit unseren verschiedenen zuvor erstellten lokalen Netzen festgelegt haben. Dieses Netz scheint für eine erste Iteration geeignet zu sein, wir können nun diese Analyse durchführen.

Einstellungen der Kalkulationskontrolle

Um eine klare animierte Darstellung der Ergebnisse der rotierenden Region und der Entwicklung der freien Fläche in der Nachbearbeitung zu erhalten, ist es ratsam, den Wert für die Periode in der Rubrik “Vollständige Ergebnisse” zu erhöhen. Wir stellen ihn hier auf 0,05s ein.

Nachdem dies geschehen ist können wir mit der Auflösung beginnen.

Analyse der Ergebnisse

Erstellung eines Plans zur Visualisierung

Als Kriterium nehmen wir den Fluidvolumenanteil von Ethanol. Das Ergebnis wird bei t=0 Sekunden dargestellt.

Tipp: Um das Ergebnis in einem anderen Zeitschritt zu ändern, müssen Sie mit der rechten Maustaste auf das Verzeichnis “Result” klicken und “Load Time Moment” wählen.

Sehen wir uns an, wie man ein animiertes Ergebnis erstellt.

Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das zu animierende Diagramm. Dann starten wir den Animationsassistenten.

Wir lassen die voreingestellte Animationszeit von 10 Sekunden. Diese Zeit entspricht der Dauer des Videos. Folglich werden wir also keine tatsächliche Geschwindigkeit haben, die unseren in der Analyse definierten 3s entspricht.

Nachdem wir den Animationsassistenten geschlossen haben, gehen wir auf die Höhe des Diagramms, das uns interessiert und fügen per Rechtsklick die Kontrollpunkte entsprechend der Dauer der Animation ein.

Und hier ist das animierte Ergebnis:

Erstellung einer ISO-Flächen-Darstellung

Wir stellen zunächst den Parameter für das Aussehen der Darstellung ein, hier auf Volumenfraktion von Ethanol
Wir behalten die Einstellung “One by One” bei. In diesem Modus können Sie jeden angezeigten Wert des Parameters separat festlegen.
Unter “Value 1” kann das Aussehen der ISO-Flächen eingestellt werden. Wir belassen es bei 0,5.
An dieser Stelle geben wir die Grösse an, die wir anzeigen wollen, hier die Geschwindigkeit.

Die Option “Moving Display” muss angekreuzt werden, um die Rotationsregion zu berücksichtigen.