Netzgenerierung

T¨ur im Technikumstrockner

4 5 6 3

2 1

Messpunkte auf Vorderseite

8 7

9

Messpunkte auf R¨uckseite Abbildung 6.1: Versuchsaufbau – T¨ur im Technikumstrockner

Position des Thermoelements 2

Blechdicke Blechdicke

1,55 mm

0,8 mm

Blechdicken im Modell

340 338 336 334 332 330

Temperatur nach 60 s Abbildung 6.2: Detailansicht des Holms

Abbildung 6.3: Oberfl¨achennetz mit Zonen zur Blechdickendefinition

Geometrie zum jetzigen Zeitpunkt ausschließlich aus Stahlblechen besteht, da die Bedeutung von Prozessstoffen zun¨achst untersch¨atzt wurde und deshalb erst in Ab-schnitt 6.2.3 weiter verfolgt werden wird.

Die Verwendung von bereits aus anderen Projekten vorhandenen Oberfl¨achen-netzen hat den Vorteil, dass die in Abschnitt 6.1.1 diskutierte, extrem aufw¨andige CAD-Datenbereinigung entf¨allt. Andererseits sind ab diesem Zeitpunkt keine grund-legenden Ver¨anderungen an der Geometrie mehr m¨oglich. Man muss also zun¨achst pr¨ufen, ob ein vorhandenes Oberfl¨achennetz alle erforderlichen Eigenschaften auf-weist. Bei Netzen, die strukturmechanischen Simulationsprojekten entstammen, ist dies normalerweise nicht der Fall, da hier z. B. Schweißpunkte und ¨ubereinanderlie-gende Bleche grunds¨atzlich anders modelliert werden m¨ussen. Hier k¨onnen folglich in der Praxis leider keine Synergieeffekte genutzt werden.

Um ein Volumennetz f¨ur die gesamte Versuchsanordnung erstellen zu k¨onnen, muss das Oberfl¨achennetz der T¨ur mit einer Oberfl¨achenbeschreibung des umgeben-den Trockners und des Gestells kombiniert werumgeben-den. Da die T¨ur deutlich kleiner ist als der Trockner, entstehen relativ große Bereiche mit einer sehr einfachen Geome-trie. Um diese mit einem qualitativ hochwertigen Netz mit in Str¨omungsrichtung ausgerichteten Hexaedern ausf¨ullen zu k¨onnen, wurde die T¨ur zu Vernetzungszwe-cken in eine virtuelle Box eingebettet. So kann die Vernetzung mit Tetraedern auf einen verh¨altnism¨aßig kleinen Bereich beschr¨ankt werden (vgl. Abbildung 6.4).

Wegen der Komplexit¨at der Geometrie mit vielen T-St¨oßen und Engstellen ge-staltet sich die Erzeugung von Prismenschichten grunds¨atzlich problematisch. In Abschnitt 4.1.2 hatte man bereits gesehen, dass die Erzeugung von Prismenschich-ten um das gesamte Bauteils herum nur mit proAm m¨oglich ist. Allerdings lassen sich hierbei sehr schlechte Zellen an den Blechkanten nicht vermeiden. Mit TGrid k¨onnen im Allgemeinen Netze mit besserer Qualit¨at generiert werden, die jedoch nur Teile des Bauteils mit Prismenschichten bedecken. Welche Vernetzungsstrategie letztendlich das beste Resultat liefert, soll im Folgenden untersucht werden.

Netz ohne Prismenschichten

In einem ersten Netz wurde g¨anzlich auf die Generierung von Prismenschichten auf dem Bauteil verzichtet. Das Netz innerhalb der virtuellen Box besteht also fast vollst¨andig aus Tetraedern, nur am Boxrand werden Pyramiden verwendet, um die Verbindung zum Hexaedernetz außerhalb der Box herstellen zu k¨onnen. Ein detail-lierter Schnitt durch dieses Netz ist in Abbildung 6.5(a) dargestellt.

Der Vorteil dieses Netzes ist, dass es sich im Wesentlichen automatisch generie-ren l¨asst und dass es mit ca. 1,5 Mio. Zellen kleiner ist als ein entsprechendes Netz mit Prismenschichten. Andererseits bedeutet der Verzicht auf Prismenschichten aber auch, dass keine allzu exakte Modellierung der Grenzschicht und der W¨arme¨uber-tragung m¨oglich sein wird.

Abbildung 6.4: Schnitt durch das Netz mit virtueller Box

(a) Tetraedernetz

(b) proAm-Prismenschichten (c) TGrid-Prismenschichten Abbildung 6.5: Unterschiedliche Netztypen im Detail

Netz mit umlaufenden Prismenschichten (proAm-Netz)

Das mit proAm erzeugte Netz mit umlaufenden Prismenschichten ist in Abbildung 6.5(b) abgebildet. Es ist mit 3,8 Mio. Zellen wesentlich gr¨oßer als das reine Tetraeder-netz, da auf jeder Seite jedes Oberfl¨achenelements der T¨ur zehn Prismenschichten liegen. Die wandn¨achste Schicht hat dabei eine Dicke von 0,1 mm. Seine Erzeu-gung erfordert einen hohen manuellen Bearbeitungsaufwand, da der Algorithmus zur Subsurface-Berechnung nur dann ein g¨ultiges Ergebnis liefert, wenn die Oberfl¨a-chentriangulierung der T¨ur entsprechend vorbereitet wird. Die anschließende Pris-menschichtengenerierung liefert neben den abgeflachten Zellen an den Blechkanten auch an Engstellen im Inneren der T¨ur viele flache und verzerrte Zellen.

Netz mit Prismenschichten auf der T¨urvorderseite (TGrid-Netz)

Als eine Art Kompromiss zwischen dem reinen Tetraedernetz und dem proAm-Netz kann man das mit TGrid erzeugte Netz ansehen (vgl. Abbildung 6.5(c)). Hier wurden nur auf der relativ glatten Vorderseite der T¨ur zehn feine Prismenschichten erzeugt.

Auf der der Str¨omung abgewandten R¨uckseite handelt es sich hingegen um ein reines Tetraedernetz. Trotzdem ist auch hier ein nicht vernachl¨assigbarer manueller Auf-wand vonn¨oten, da der Anwender in TGrid explizit definieren muss, ¨uber welchen Blechen Prismen liegen sollen. Die Zellenzahl ist mit 1,9 Mio. etwas h¨oher als die des reinen Tetraedernetzes, die Zellqualit¨at beider Netze ist vergleichbar. Allerdings m¨ussen diesmal auf den freiliegenden Prismenseiten nichtkonforme ¨Ubergange zum Tetraedernetz definiert werden.

Polyedernetz

Die Verwendung von Polyedernetzen ist in den aktuell verf¨ugbaren Programmver-sionen noch mit Einschr¨ankungen verbunden. Deshalb wurden sie im Rahmen dieser Arbeit nur am Rande untersucht.

F¨ur die Fahrert¨ur im Technikumstrockner wurde ein reines Tetraedernetz mit ca.

3,2 Mio. Zellen erstellt und in ein Polyedernetz konvertiert (vgl. Abbildung 6.6).

Die Zellenzahl reduziert sich dadurch auf ca. 0,9 Millionen. Zudem wurde auch ein Tetraedernetz mit Prismenschichten auf der T¨urvorderseite in ein Polyedernetz mit 1,2 Mio. Zellen konvertiert. Leider konnten jedoch f¨ur dieses zweite Netz aufgrund von Softwaredefiziten keine Simulationen durchgef¨uhrt werden.

Beim Aufrufen des Konvertierungsalgorithmus in Fluent stellt man fest, dass ein sehr großer Arbeitsspeicherbedarf erforderlich ist. Da die Konvertierung aber par-allelisierbar ist, stellt dieser Sachverhalt normalerweise keine Einschr¨ankung dar.

Problematischer ist die Tatsache, dass es f¨ur Polyedernetze kein verl¨assliches Qua-lit¨atskriterium gibt. Denn selbst wenn das originale Tetraedernetz eine hinreichend gute Zellqualit¨at hat, k¨onnen bei der Konvertierung so verzerrte Polyederzellen ent-stehen, dass eine stabile Simulation nicht m¨oglich ist. Die verzerrten Zellen k¨onnen

Abbildung 6.6: Schnitt durch das Polyedernetz

aber wegen des fehlenden Qualit¨atskriteriums erst lokalisiert werden, nachdem eine Berechnung fehlgeschlagen ist. Um Ver¨anderungen am Polyedernetz vorzunehmen, muss das zugrundeliegende Tetraedernetz angepasst werden und der gesamte Kon-vertierungsprozess erneut ausgef¨uhrt werden.