Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.v. Düsseldorf


Numerische Berechnung turbulenter Strömungen

in Forschung und Praxis (HOCHSCHULKURS)

vom 25. - 27. September 2000 in Karlsruhe

durchgeführt vom INSTITUT FÜR HYDROMECHANIK DER UNIVERSITÄT KARLSRUHE

unter Leitung von PROFESSOR DR. W. RODI

Anmeldeformular

Zweck des Kurses:

Die Berechnung turbulenter Strömungen, einschließlich des Wärme- und Stofftransports ist bei vielen Problemen der Luft- und Raumfahrttechnik, des Maschinenbau-, Chemieingenieur- sowie des Bauingenieurwesens eine vordringliche Aufgabe. Als Beispiele seien hier genannt: die Strömung um Flug- oder Schiffskörper, Autos und Gebäude sowie durch Leitungen, Kanäle, Kammern und Wärmetauscher, die Vermischungsprozesse in Reaktoren aller Art, die Wandkühlung von Turbinenschaufeln und Brennkammern;die Ausbreitung eingeleiteter Wärme oder Schadstoffe in der Atmosphäre, in Flüssen, Seen; Zweiphasenströmungen in Rohren, Erosionserscheinungen, Kraftstoffzerstäubung in Verbrennungsmotoren.

 

Manche Strömungsprobleme lassen sich mit ausreichender Genauigkeit durch empirische Formeln oder relativ einfache Integralmethoden lösen. In den meisten Fällen ist die Strömung jedoch so komplex, daß nur die sogenannten Feldmethoden erfolgversprechend sind. Die Fortschritte auf dem Gebiet der Computertechnologie haben gerade diesen Methoden in den letzen Jahren zu einem großen Aufschwung verholfen. Es wurden numerische Methoden entwickelt, die heute eine wirtschaftliche Lösung der partiellen Strömungsdifferentialgleichungen selbst bei komplexen dreidimensionalen Problemen erlauben. Die Verfügbarkeit wirtschaftlicher Lösungsverfahren hat ihrerseits die Entwicklung wesentlich verbesserter Methoden zur Beschreibung turbulenter Transportvorgänge ermöglicht. Als Symbiose leistungsstarker Finite-Volumen-Verfahren und Turbulenzmodelle stehen heute flexible Rechenmethoden zur Verfügung, mit denen eine Vielzahl von Strömungsproblemen effizient gelöst werden kann und die daher weltweit in Forschung und Praxis ihre Anwendung finden.


Der Kurs hat zum Ziel, Ingenieure der Industrie und Forschung mit diesen modernen Methoden vertraut zu machen, ihnen an einer Reihe von Anwendungsbeispielen die Möglichkeiten und Grenzen dieser Methoden aufzuzeigen, die Grundlagen zur Qualitätsbeurteilung numerischer Rechenergebnisse zu vermitteln sowie den Weg in die Zukunft zu weisen.

 

KURSPROGRAMM:

1. PROBLEMATIK DER BERECHNUNG TURBULENTER STRÖMUNGEN

Bedeutung turbulenter Strömungen in der Praxis; Eigenarten der Turbulenz; Mögliche Methoden der Turbulenzberechnung und ihre Eignung für die praktische Anwendung: Direkte Numerische Simulation (DNS), Large-Eddy Simulation (LES), statistische Turbulenzmodelle.


2. GRUNDGLEICHUNGEN ZUR BERECHNUNG TURBULENTER STRÖMUNGEN

Erläuterung des physikalischen Erhaltungsprinzips; Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls, Energie und allgemeine Skalare; Einführung der Tensorschreibweise; statistische Betrachtung turbulenter Strömungen; Diskussion verschiedener Mittelungsarten; Ableitung gemittelter Erhaltunsgleichungen und Diskussion der dabei eingeführten turbulenten Austauschgrößen.


3. EINFÜHRUNG IN DIE TURBULENZMODELLIERUNG

Diskussion des Verhaltens turbulenter Austauschgrößen anhand von Messungen; Aufgabe und wünschenswerte Eigenschaften von Turbulenzmodellen; Grundprinzipien der Turbulenzmodellierung; Übersicht über existierende Modelle; einfache, algebraische Wirbelviskositätsmodelle.


4. EIN- UND ZWEI-GLEICHUNGS-TURBULENZMODELLE

Übersicht über die gängigsten Ein- und Zweigleichungsturbulenzmodelle; Historische Entwicklung der Modelle; Transportgleichungen der Turbulenzvarianten; Spezielle Eigenschaften der Modelle; Mathematischer Zusammenhang zwischen den Modellen; Behandlung wandnaher Bereiche; Rechenbeispiele für Laborströmungen.


5. REYNOLDS-SPANNUNGS-TURBULENZMODELLE

Schwächen von Wirbelviskositätsmodellen; Bedeutung der Turbulenzanisotropie für die Berechnung komplexer Strömungen; Exakte Gleichungen für die Reynolds-Spannungen und Diskussion der darin auftretenden Terme; Modellansätze für die Druck-Scher-Korrelationen (Pressure-Strain-Terme), den turbulenten Transport und die Dissipationsrate; Bestimmung der empirischen Konstanten; Anwendungsbeispiele für grundlegende Strömungen.


6. GRUNDLAGEN NUMERISCHER LÖSUNGSMETHODEN

Klassifizierung der Erhaltungsgleichungen und Strömungen; Grundprinzipien numerischer Verfahren: verschiedene Diskretisierungsmethoden, strukturierte und unstrukturierte numerische Gitter, direkte und iterative Lösung linearer Gleichungssysteme, Mehrgitterverfahren.

7. NUMERISCHE GITTER UND DEREN EIGENSCHAFTEN

Anforderungen an Rechengitter; Definition von Lösungs- und Abbruchfehlern; empirische Kriterien zur Netzoptimierung; Vor- und Nachteile verschiedener Elementtypen (Hexaeder, Tetraeder,etc.), Datenstrukturen für strukturierte und unstrukturierte Rechennetze; Algorithmen zur Erzeugung strukturierter und unstrukturierter Rechennetze.


8.
DISKRETISIERUNGSMETHODEN FÜR FINITE-VOLUMEN-VERFAHREN

Grundprinzipien; räumliche Diskretisierung der Konvektions- und Diffusionsglieder: Zentraldifferenzen, Aufwinddifferenzen (QUICK), TVD-Methoden, numerische Diffusion; zeitliche Diskretisierung: explizite und implizite Verfahren, Mehrschrittverfahren (Runge-Kutta), künstliche Viskosität.


9.
LÖSUNGSALGORITHMEN FÜR FINITE-VOLUMEN-VERFAHREN

Problematik der Bestimmung des Druckfeldes; Übersicht über grundlegende Ansätze für inkompressible und kompressible Strömungen; Ableitung von Druckgleichungen aus der Massenerhaltungsgleichung; Vor- und Nachteile versetzter und nicht-versetzter Variablenanordungen; entkoppelte Lösungsstrategien (SIMPLE, SIMPLE-C, PISO); gekoppelte Lösungsstrategien; Erweiterungen und Alternativen für kompressible Strömungen.


10.
RANDBEDINGUNGEN UND IHRE NUMERISCHE IMPLEMENTIERUNG

Numerische Behandlung von Randbedingungen; Physikalische Grundlagen für Wandströmungen; Wandfunktionen oder Integration zur Wand; Gitterabhängigkeit und numerische Auflösung an Rändern; Wandrauhigkeit; Ausblasen an Wänden, Wärmeübergang, Eintritts- und Austrittsrandbedingungen.


11.
ANWENDUNGSBEISPIELE

Strömung um Flügel, Schiffe und Schiffspropeller, in einem Hydrozyklon,in einem Kolbenmotor; Transsonische Strömung durch Radialverdichter-Laufrad (Krain-Impeller), Prallstrahlen in Querströmung.


12.
BERECHNUNG VON MEHRPHASENSTRÖMUNGEN

Charakterisierung und Einteilung von Mehrphasenströmungen; Übersicht der verschiedenen Berechnungsansätze; Zweifluid-Modelle; Euler/Lagrange-Verfahren; Modellierung von Wandkollisionen und Partikelstößen; Anwendungsbeispiele: pneumatische Förderung, Blasensäulen, Suspendieren im Rührbehälter.


13. LARGE-EDDY-SIMULATION

Prinzip der Large-Eddy-Simulation; Erhaltungsgleichungen für die Grobstrukturbewegung; Filtertypen; Modellierung der turbulenten Feinstruktur; verwendete numerische Verfahen; Problematik geeigneter Randbedingungen; Stand der Forschung anhand einiger Anwendungsbeispiele.


14. QUALITÄTSSICHERUNG

Validierung neuer Verfahren; Geometrie und Gittergenerierung; Gitterauflösung; Auswahl der physikalischen Modelle; Auswahl der Randbedingungen; Konvergenzkriterien; Fehlerabschätzung; Mögliche Fehlerquellen; Instationäre Probleme; Beurteilung von numerischen Lösungen.


15. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK AUF WEITERE ENTWICKLUNGEN

Übersicht über Leistungsfähigkeit und Grenzen der behandelten Methoden; Ausblick auf weitere Entwicklungen bei numerischen Verfahren, Turbulenzmodellen, Large-Eddy-Simulation und Rechenanlagen.


Referenten:

Dr.-Ing. J. Fröhlich (Universität Karlsruhe) Dr.-Ing. G. Scheuerer (AEA Technology GmbH, Otterfing)

Dr.-Ing. F. Menter (AEA Technology GmbH, Otterfing) Prof. Dr.-Ing. M. Sommerfeld (Universität Halle-Wittenberg)
Prof. Dr. W. Rodi (Universität Karlsruhe)


Zeitplan:

Es werden täglich fünf Vorlesungsstunden abgehalten. Am Schluß jeden Tages ist eine Stunde für Diskussion vorgesehen. Zwischen den Vorlesungen und während des gemeinsamen Mittag- und Abendessens besteht die Gelegenheit zur persönlichen Diskussion mit den Referenten. Dabei können spezielle Berechnungsprobleme der Kursteilnehmer erörtert werden.


Kursunterlagen:

Jeder Kursteilnehmer erhält ein Handbuch mit dem in den Vorlesungen gezeigten Projektionsmaterial, das alle wichtigen Informationen wie Gleichungen, Rechenbeispiele und Literaturhinweise enthält.

Anmeldungen richten Sie bitte an:
Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V.
Graf-Recke-Straße 84 - VDI-Haus
40239 Düsseldorf, Tel: 0211/6214553, Fax 0211/6214159
Kennwort: Hochschulkurs Berechnung turbulenter Strömungen

Kursgebühr:

Die Gebühr für den Kursus einschließlich aller schriftlichen Unterlagen sowie Mittag- und Abendessen beträgt DM 850,-. Sie ist einzuzahlen auf das Konto-Nr. 4 607 090 00, BLZ 300 800 00, Dresdner Bank AG, Düsseldorf.

Die Teilnehmergebühren sind steuerfrei gemäß 4, Ziffer 22 USTG MWSt. Bei Abmeldung bis zum 15. September 2000 wird die Teilnehmergebühr abzüglich einer Bearbeitungsgebühr von DM 80,- zurückerstattet. Bei späterer Abmeldung muß die Teilnehmergebühr in voller Höhe berechnet werden. Die Teilnehmerzahl ist begrenzt. Frühzeitige Anmeldung wird empfohlen.

last update: 29.08.01