Neben den General Purpose CFD-Codes CFX, FIDAP und FLUENT steht seit Ende
2000 auf
dem FE-CFD-Cluster (Applikationsserver für Strömungsdynamik und
Finite Elemente) auch das leistungsfähige Software-Paket CFX-TASCflow zur
Verfügung.
Die beiden auf dem Finite-Volumen-Verfahren basierenden CFD-Codes CFX und FLUENT finden auf Grund ihrer implementierten Modelle für chemische Reaktionen in erster Linie in der Verfahrenstechnik Verwendung. FIDAP hingegen, welches mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode das Strömungsfeld berechnet, wird oft eingesetzt, wenn freie Oberflächen auftreten. Das auf dem Finite-Volumen-Verfahren basierende CFX-TASCflow wird dagegen oft im allgemeinen Maschinenbau angewendet.
Der Preprocessor CFX-TurboGrid und der Postprocessor CFX-TurboVisualizer sind speziell auf die Simulation der Strömung durch thermische bzw. hydraulische Turbomaschinen zugeschnitten. Mit diesem Pre- und Postprocessor stellt CFX-TASCflow ein umfassendes Werkzeug für die Berechnung und Visualisierung der Strömung durch stillstehende und/oder rotierende dreidimensionale Reihen von Turbomaschinen dar.
Der Preprocessor CFX-TurboGrid ist ein auf Turbomaschinen zugeschnittenes Werkzeug zur raschen und qualitativ hochwertigen Vernetzung des zu untersuchenden Strömungsgebietes durch eine Reihe. Für die Netztopologie muss entsprechend dem zu vernetzenden Profil ein vordefiniertes Template ausgewählt werden, dessen Parameter den jeweiligen Profilquerschnitten angepasst werden können. Auch die Vernetzung von Radialspalten ist mit diesem Werkzeug auf einfache Weise möglich. Abbildung 1 zeigt eine Blade-To-Blade-Ansicht einer axialen Turbinenbeschaufelung.
Abbildung 1: Blade-To-Blade-Ansicht einer axialen Turbinenbeschaufelung (CFX-TurboGrid)
Mit CFX-TASCflow - BuildCase TurboPre können die mit CFX-TurboGrid erstellten Rechennetze zu einem Gesamtnetz zusammengefasst und die Randbedingungen an den Wänden, am Ein- und Austritt vorgegeben werden. Die Kopplung der zusammengefügten Rechennetze erfolgt problemspezifisch, wobei mehrere Interfaces zur Auswahl stehen. Abbildung 2 zeigt das Gesamtnetz für eine Leit- und eine Laufreihe einer axialen Turbinenstufe.
Abbildung 2: Gesamtnetz für eine Leit- und eine Laufreihe einer axialen Turbinenstufe (CFX-TASCflow -BuildCase TurboPre)
Der Solver von CFX-TASCflow löst mit Hilfe der Finite-Volumen-Methode die instationäre, dreidimensionale Massen-, Impuls- und nötigenfalls Energiebilanz. Für die Berücksichtigung des turbulenten Charakters der Strömung werden außerdem noch die die Turbulenz beschreibenden instationären, dreidimensionalen Bilanzgleichun-gen gelöst. Auf Grund der Nichtlinearität der Bilanzgleichungen wird das Strömungsfeld iterativ berechnet. Im Gegensatz zu den meisten anderen CFD-Solvern werden hier die Massen- und Impulsbilanzen simultan gelöst. Dies hat zur Folge, dass eine geringere Anzahl von Iterationsschritten bis zum Erreichen eines Konvergenzkriteriums nötig und die Rechenzeit bei gleicher Genauigkeit kürzer ist.
Für eine hohe Robustheit der Rechnung sorgt die Verwendung eines algebraic multigrid-Algorithmus, bei dem das Rechennetz während der Rechnung automatisiert verfeinert bzw. vergröbert wird.
Der Solver kann sowohl inkompressibles als auch kompressibles Fluid simulieren. Durch die optionale Verwendung von Stoffwertdatenbanken können auch Realgase wie zum Beispiel Wasserdampf als Fluid verwendet werden. Ebenso ist die Berechnung von mit dem Strömungsfeld gekoppeltem Wärmeübergang an den Wänden möglich.
Wegen des hohen Stellenwertes der Turbulenz bei der Strömung durch Turbomaschinen wird ein breites Spektrum von Turbulenzmodellen angeboten. Bewährte Turbulenzmodelle wie das Standard-k-e-Turbulenzmodell sind ebenso verfügbar wie jüngere Turbulenzmodelle wie das RNG-k-e-Modell, k-w-Modelle oder Reynolds-Stress-Modelle.
Durch die gleichzeitige Verwendung von ruhenden (Statoren) und rotierenden (Rotoren) Koordinatensystemen, so genannte multiple frames of reference, kann eine Stator-Rotor-Interaktion modelliert werden. Die zeitliche Diskretisierung kann wahlweise erster oder zweiter Ordnung genau erfolgen.
Der Postprocessor CFX-TurboVisualizer ist wie der Preprocessor CFX-TurboGrid ein auf Turbomaschinen zugeschnittenes Werkzeug für die Darstellung der Berechnungsergebnisse. Mit CFX-TurboVisualizer können dreidimensionale Ansichten, Blade-To-Blade-Ansichten und Meridianansichten interaktiv über ein GUI erstellt werden.
Neben dem interaktiven Postprocessing über ein GUI kann das Postprocessing auch zeilenorientiert mit CFX-TASCtool durchgeführt werden. Im zeilenorientierten Postprocessing können auf einfache Weise neue Größen berechnet, oft verwendete Befehlssequenzen in Macros zusammengefasst und Teile des Postprocessings automatisiert abgearbeitet werden. Abbildung 3 zeigt die Verteilung des statischen Druckes an der Nabe, an der Leit- und der Laufreihe einer axialen Turbinenstufe.
Abbildung 3: Verteilung des statischen Druckes in einer axialen Turbinenstufe (CFX-TASCtool)
Gemeinsam mit dem Preprocessor CFX-TurboGrid und dem Postprocessor CFX-TurboVisualizer stellt CFX-TASCflow ein umfassendes Werkzeug für die Berechnung und Visualisierung der Strömung durch stillstehende und/oder rotierende dreidimensionale Reihen von thermischen bzw. hydraulischen Turbomaschinen dar. Auf Grund der Verwendung eines algebraic multigrid-Algorithmus und des simultanen Lösens von Massen- und Impulsbilanzen kann das Strömungsfeld in im Vergleich zu anderen CFD-Codes kurzer Rechenzeit mit ausreichender Genauigkeit berechnet werden.
AEA Technology: http://www.software.aeat.com/cfx/
Online-Dokumentation am FE-CFD-Cluster:
CFX-TASCflow:
/appl/local/tascflow/TASCflow/Doc
CFX-TurboGrid:
/appl/local/turbogrid/Doc