Der größte Aufwand einer CFD-Studie geht in Netz und Modell; die meisten Fehler werden bei den Randbedingungen gemacht. Der Grund ist einfach: Ein schlechtes Netz sieht man, eine falsche Randbedingung nicht. Die Lösung konvergiert, ein buntes Bild kommt heraus, und die Zahl ist falsch [1] [2].
Die Frage, die zu stellen ist
Fragen Sie nicht, was im System bekannt ist; fragen Sie, was aufgeprägt ist.
- Wenn eine Pumpe oder ein Ventilator die Strömung treibt und Sie den Betriebspunkt suchen, geben Sie den Volumenstrom nicht vor. Tun Sie es doch, haben Sie die Kennlinie der Maschine selbst festgelegt, und die Analyse bestätigt nur Ihre Annahme.
- Wird das System durch eine Druckdifferenz zwischen zwei Behältern getrieben, geben Sie Druck am Ein- und Austritt vor; der Volumenstrom ist das Ergebnis.
- Modellieren Sie eine Leitung, deren Volumenstrom gemessen wurde, ist Volumenstrom am Eintritt und Druck am Austritt die richtige Wahl.
An beiden Enden Druck vorzugeben heißt, den Volumenstrom dem Löser zu überlassen. Manchmal ist genau das gewollt; manchmal ist es der Grund, warum sich die Lösung nie setzt.
Wo der Rand liegt, zählt mehr als sein Typ
Der Austritt gehört dorthin, wo sich die Strömung erholt hat. Ein Austritt unmittelbar hinter einem Ablösegebiet unterdrückt die Rückströmung, verfälscht die stromaufwärts liegende Lösung, und diese Verfälschung pflanzt sich ins Modell fort.
Ein praktisches Maß: Legen Sie den Austritt mindestens zehn hydraulische Durchmesser hinter die letzte geometrische Störung. Ein billiges Verlängerungsvolumen schlägt einen teuren Fehler.
Turbulenzgrößen
Turbulenzintensität und Längenmaß werden am Eintritt verlangt und meist auf dem Vorgabewert belassen. In Aufgaben, in denen die Ablösung entscheidet, verändern diese Werte das Ergebnis sichtbar. Sind sie unbekannt, rechnen Sie zwei Extremwerte; ändert der Unterschied Ihre Entscheidung, ist das ein Unsicherheitsposten und gehört in den Bericht.
Ränder, die verwechselt werden
Symmetrie besagt, dass keine Strömung diese Fläche quert. Sie ist keine Wand und erzeugt keine Reibung. Beides zu verwechseln verfälscht das Ergebnis stillschweigend.
In der Außenströmung lässt ein zu nah gesetzter Fernfeldrand den Körper seine eigene Versperrung sehen. Das Versperrungsverhältnis (Körperfläche / Querschnittsfläche) unter 5 % zu halten, ist ein guter Ausgangspunkt.
Referenzen
- Ferziger, J. H., Perić, M. & Street, R. L. (2020). Computational Methods for Fluid Dynamics, 4th ed. Springer. DOI: 10.1007/978-3-319-99693-6
- Menter, F. R. (1994). Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA Journal, 32(8), 1598–1605. DOI: 10.2514/3.12149