Numerische Untersuchung der Einlassrandbedingung eines Jets in Querströmung

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Physikalisches Hintergrund

2.1. Erhaltungsgleichungen

2.1.1. Massenerhaltung

2.1.2. Impulserhaltung

2.1.3. Energieerhaltung

2.1.4. Thermische Zustandsgleichung

2.2. Relevante Strömungskennzahlen

2.2.1. Knudsenzahl

2.2.2. Reynoldszahl

2.2.3. Strouhalzahl

2.3. Direkte numerische Simulation (DNS)

2.4. Wirbelerkennung

2.4.1. Vortizität

2.4.2. Q-Kriterium

3. Verwendete Softwares und Simulationsablauf

3.1. OpenFoam

3.1.1. Einführung

3.1.2. Programmstruktur

3.2. Vorbetrachtung

3.2.1. Geometrie und Berechnungsvorgehensweise

3.2.2. Netzerstellung

3.2.3. Randbedingungen

3.2.4. Solver

3.2.5. Postprocessing

4. Ergebnisse und Diskussion

4.1. Validierung der Grundströmung

4.2. Turbulente kinetische Energie in der Symmetrieebene z = 0

4.3. Zeitlich gemitteltes Geschwindigkeitsprofil im modellierten Jeteinlass

4.4. Wirbeltrukturen von JIC

4.5. Zeitlich gemittelte Trajektorie

4.6. Zeitlich gemittelte Geschwindigkeit und Stromlinien

4.7. Zeitlich gemittelte turbulente kinetische Energie

4.8. Untersuchung vom Geschwindigkeitsverlauf entlang verschiedenen Linien

4.9. Zeitlich gemittelte RMS-Werte

4.10. Vortizität und Q-Kriterium

5. Zusammenfassung

A. createBoundaryLayer.py: Skript zur Generierung der Grenzschicht

B. initOutPipe.py: Skript zur Initialisierung vom modellierten Einlass

C. blockMeshDict

C.1. JIC mit Rohr

C.2. JIC ohne Rohr

D. snappyHexMeshDict

D.1. JIC mit Rohr

D.2. JIC ohne Rohr

Zielsetzung & Themen

Die Arbeit untersucht numerisch die Einlassrandbedingung eines Jets in einer Querströmung bei einem Geschwindigkeitsverhältnis von R=3. Ziel ist es, durch den Vergleich eines voll diskretisierten Einlaufkanals mit einem kreisförmigen modellierten Einlass in OpenFOAM das zeitlich gemittelte Einlassprofil zu bestimmen und relevante Strömungsphänomene wie Trajektorien und Wirbelstrukturen zu analysieren.

• Numerische Untersuchung von Jet-in-Crossflow (JIC) Szenarien
• Vergleich zwischen voll diskretisiertem Einlaufkanal und modelliertem Einlass
• Anwendung und Validierung von OpenFOAM zur Strömungssimulation
• Analyse von Trajektorien, Wirbelstrukturen und Geschwindigkeitsfeldern
• Vergleich der Simulationsergebnisse mit NS3D-Daten und theoretischen Modellen

Auszug aus dem Buch

Zusammenfassung der Kapitel

1. Einleitung: Beschreibt die Bedeutung von Jets in Querströmung in technischen Anwendungen wie Gasturbinen und liefert eine Übersicht über existierende Literatur und Ziele der Arbeit.

2. Physikalisches Hintergrund: Erläutert die grundlegenden Erhaltungsgleichungen der Strömungsmechanik, dimensionslose Kennzahlen sowie Methoden zur Wirbelerkennung wie Vortizität und das Q-Kriterium.

3. Verwendete Softwares und Simulationsablauf: Detailliert die Nutzung des Softwarepakets OpenFOAM, die Ordnerstruktur der Simulationen, die Netzgenerierung mittels snappyHexMesh und das Postprocessing.

4. Ergebnisse und Diskussion: Präsentiert die Validierung der Simulationen sowie eine detaillierte Analyse der Strömungsparameter, Wirbelstrukturen und den Vergleich mit Literaturdaten.

5. Zusammenfassung: Fasst die wesentlichen Erkenntnisse zusammen und gibt einen Ausblick auf mögliche weiterführende Forschungsarbeiten.

Schlüsselwörter

Jet in Querströmung, JIC, OpenFOAM, numerische Strömungsmechanik, CFD, DNS, Wirbelstrukturen, Trajektorie, Einlassrandbedingung, Grenzschicht, snappyHexMesh, Q-Kriterium, Vortizität, Filmkühlung, Strömungssimulation.

Häufig gestellte Fragen

Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?

Die Arbeit behandelt die numerische Untersuchung eines Jets in einer Querströmung (Jet in Crossflow, JIC) unter Verwendung der Open-Source-Software OpenFOAM.

Was sind die zentralen Themenfelder?

Die zentralen Themen sind die Modellierung von Einlassrandbedingungen, die DNS (Direkte numerische Simulation) sowie die Analyse von Wirbelstrukturen und Strömungstrajektorien.

Was ist das primäre Ziel der Arbeit?

Das Hauptziel ist der Vergleich eines voll diskretisierten Einlaufkanals mit einer vereinfachten kreisförmigen Einlassmodellierung, um zu prüfen, inwieweit Letztere korrekte Ergebnisse liefert.

Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?

Es kommt die Methode der direkten numerischen Simulation (DNS) innerhalb der Software-Toolbox OpenFOAM zum Einsatz.

Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?

Im Hauptteil werden neben den theoretischen Grundlagen der Strömungsmechanik vor allem der Simulationsablauf, die Netzgenerierung (snappyHexMesh), die Randbedingungen und eine ausführliche Ergebnisdiskussion behandelt.

Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?

Wichtige Schlüsselwörter sind Jet in Querströmung (JIC), OpenFOAM, CFD, DNS, Wirbelstrukturen, Trajektorien sowie Grenzschichtanalyse.

Wie unterscheidet sich die Geometrie "JIC mit Rohr" von "JIC ohne Rohr"?

Bei der Geometrie "JIC mit Rohr" ist der Einlaufkanal vollständig aufgelöst, während bei "JIC ohne Rohr" der Einlass durch eine kreisförmige Randbedingung mit einem zeitlich gemittelten Geschwindigkeitsprofil modelliert wird.

Warum wird das Q-Kriterium in dieser Arbeit angewendet?

Das Q-Kriterium wird zur Identifikation und Visualisierung von Wirbelstrukturen verwendet, um Gebiete zu unterscheiden, in denen die Rotation gegenüber der Scherung überwiegt.