Anwendungsbezogene Berechnungswerkzeuge versus „Multi-

Purpose Codes“: Neue Möglichkeiten im CFD Einsatz durch OpenSource basierte

Modellentwicklung

Dr. Ulrich Heck, Martin BeckerDHCAE Tools

DEUTSCHSPRACHIGE NAFEMS KONFERENZ, 8. – 9. MAI 2012, BAMBERGDEUTSCHSPRACHIGE NAFEMS KONFERENZ, 8. – 9. MAI 2012, BAMBERG

InhaltInhaltVorstellung DHCAE Tools

Struktur und Aufbau von OpenFOAM®

Beispiele für OpenFOAM® CFD-Berechnungs-fähigkeiten und erforderliche Anpassungen

Umsetzung als anwendungsbezogene Berechnungswerkzeuge

OPENFOAM® ist ein registriertes Markenzeichen von SGI Corp.

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DHCAE ToolsDHCAE Tools

• DHCAE Tools: Gegründet nach langjährigen Berechnungsdienstleitungen

• Kundenangepasste CFD-Tools– Spezielle Aufgaben– Begleitung von Firmen bei CFD-Einführung

• Kombination OpenSource und lizenzpflichtige Systeme:– Pre Prozessing (Eigene Entwicklung): CAD basierter GUI-Pre-

Prozessor CastNet für OpenFOAM– Solving: OpenFOAM und Anpassungen auf Basis der OpenFOAM

Technologie– Post Processing: Paraview u.a.

• Training und Support

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kommerzielle CFD-Systeme versus OpenFOAM kommerzielle CFD-Systeme versus OpenFOAM

kommerzielle CFDkommerzielle CFD

VerfügbarkeitVerfügbarkeit

KonzeptKonzept

UmfangUmfang

Bevorzugte Bevorzugte ArbeitsweiseArbeitsweise

OpenFOAM® wird entwickelt und herausgegeben von SGIOpenFOAM® wird entwickelt und herausgegeben von SGI

OpenFOAMOpenFOAM

Frei verfügbar unter der GNU-Public-License

Angelegt als „Toolbox“

Sammlung von Utilities und „Solvern“ mit definier-tem Lösungsspektrum

Text-Files

Lizenzpflichtig

Funktionen in einem Executable Anpassungsfähig über definierte Schnittstellen

Als multi-Purpose-System einsetzbar

GUI

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OpenFOAM-StrukturOpenFOAM-Struktur

Input für einen Berechnungsfall:•Verzeichnis für einen Fall•Dictionaries mit bestimmten Aufgaben•Informationen verteilen sich auf Vielzahl von Files

Beispiel: Adaptieren von OpenFOAM:- Partikeltransport- Verwendete Partikelmodelle werden

definiert durch Dictionary:kinematicCloudProperties in constant

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Beispiel: Struktur von OpenFOAM 1Beispiel: Struktur von OpenFOAM 1

Dictionary: Input für Berechnung

Beispiel: Beispiel: PartikelberechnungenPartikelberechnungenDictionary:Dictionary:KinematicCloudPropertiesKinematicCloudProperties

OpenFOAM Dateistruktur (Verzeichnisse der Funktionen/Modelle)

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Beispiel: Adaptieren von OpenFOAMBeispiel: Adaptieren von OpenFOAM

OpenFOAM QuellcodeIm Verzeichnis../particleForces/sphereDrag Objektorientiert in C++

Input Re (Reynoldszahl)OutputWiderstandswert(hier cd*Re)

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Beispiel: Adaptieren von OpenFOAMBeispiel: Adaptieren von OpenFOAM

Anpassungsmöglichkeit:1.Vorhandene Funktion nehmen (sphereDrag) 2.Kopieren/Klonen3.Umbenennen (z.B. mySphereDrag)4.Anpassen5.Kompilieren6.Verwendung von „mySphereDrag“ im Input Dictionary für die Partikelbewegung

OpenFOAM ist als Toolbox angelegt:Umfangreiche Lösungsmöglichkeiten mit vorhandenen Solvern Aber: Auf Anpassungsfähigkeit ausgelegt

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Basis anwendungsbezogene ToolsBasis anwendungsbezogene Tools

Prädestiniert für anwendungsbezogene Berechnungswerkzeuge

•Definierte Lösungsfähigkeiten eines „Solvers“Definierte Lösungsfähigkeiten eines „Solvers“•Verfügbarkeit des QuellcodesVerfügbarkeit des Quellcodes•Objektorientierte StrukturObjektorientierte Struktur•AdaptierbarkeitAdaptierbarkeit•Kommunikation auf FilebasisKommunikation auf Filebasis

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OpenFOAM-Berechnung/Anpassung 1OpenFOAM-Berechnung/Anpassung 1

Quench:

Kühlung von heißen Gasen mit einem Spray

Stark drallbehaftete Strömung

Lagrangescher Partikeltransport mit starker Interaktion: Thermische: Verdunstungskühlung

Impuls: Dichteänderung, Sprayeintrag

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OpenFOAM-Berechnung/Anpassung 1OpenFOAM-Berechnung/Anpassung 1

Vernetzung mit CastNetVernetzung mit CastNet

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OpenFOAM-Berechnung/Anpassung 1OpenFOAM-Berechnung/Anpassung 1

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TemperaturverteilungenOpenFOAM CFD-Vergleichslösung

OpenFOAM-Berechnung/Anpassung 1OpenFOAM-Berechnung/Anpassung 1

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Vorhanden in OpenFOAM:•Stationäre/Instationäre Solver für Partikeltransport in Gasen mit verschiedenen Phasenanteilen (Species)

Solveranpassungen: •Entfernen der Reaktionskinetik•Optimierung der „Zeitschrittweiten“ in stationärem/ instationärem Solver (Abhängig vom Iterationsfortschritt)•Bei mehreren Parcels: Erweiterung der Solver und des I/Os auf zusätzliche Parcelgruppen

OpenFOAM-Berechnung/Anpassung 1OpenFOAM-Berechnung/Anpassung 1

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Füll- und Auslaufvorgänge mit bewegten Oberflächen und rotierenden Zonen

Verteilung von Feststoff (Partikeln)

Mehrphasenströmung

OpenFOAM-Berechnung/Anpassung 2OpenFOAM-Berechnung/Anpassung 2

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OpenFOAM-Berechnung/Anpassung 2OpenFOAM-Berechnung/Anpassung 2

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OpenFOAM-Berechnung/Anpassung 2OpenFOAM-Berechnung/Anpassung 2

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Vorhanden in OpenFOAM:•Leistungsstarke Löser für freie Oberflächen•Vorhandene Zusatzfunktionalitäten:

• Rotierende Komponenten (MRF) und poröse Zonen• Adaptive Gitter (Auflösung der Grenzfläche)• Verschiedene Anzahl von Phasen• Kavitation

Solveranpassungen: •Erweiterung des ungekoppelten Partikelsolvers auf VOF•Partikeltransport nur in Flüssigphase

OpenFOAM-Berechnung/Anpassung 2OpenFOAM-Berechnung/Anpassung 2

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Beispiel 3Verfahrenstechnik:

MischerMit bewegten Gittern

Basissystem:Extend basierend auf OpenFOAM-Technologie

OpenFOAM-Berechnung/Anpassung 3OpenFOAM-Berechnung/Anpassung 3

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OpenFOAM-Berechnung/Anpassung 2OpenFOAM-Berechnung/Anpassung 2

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OpenFOAM-Berechnung/Anpassung 2OpenFOAM-Berechnung/Anpassung 2

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Vorhanden in Extend:•GGI: Generalized Grid Interface•Für nicht konforme Gitter, insbesondere rotierende Komponenten•Nutzung im Bereich Turbomachinery

Vorstudien:•Eignung des GGI für unstrukturierte Gitter

Solveranpassung:•Integration eines skalaren Transports zur Beurteilung der Durchmischung

OpenFOAM-Berechnung/Anpassung 3OpenFOAM-Berechnung/Anpassung 3

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Abhängig vonAbhängig von•individueller Arbeitsweise (z.B. Text oder GUI basierend), •CFD-Kenntnisstand (z.B. bzgl. der Modellauswahl und Lösungsparameter) und•vorhandener Infrastruktur (Linux/Windows-Plattform, vorhandene CAD-Systeme etc.)

Umsetzung als WerkzeugUmsetzung als Werkzeug

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GeometriekomplexitätGeometriekomplexität

Geringe GeometriekomplexitätMögliche Umsetzung:1.GUI/Text-File- basierte Inputparameterdefinition2.Vernetzung mit BlockMesh3.Automatisiertes Skripting für SolverVorteil: Reine OpenSource Komponenten oder freie Programmiersprachen (z.B. Python)

Erhöhte Geometriekomplexität•CAD basierter Ansatz•Kommerzielle Zusatztools für Pre-Prozessing erforderlich •Beispiel: Abstrakte Modellierung

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Abstrakte ModellierungAbstrakte Modellierung

Abstrakte ModellierungAbstrakte Modellierung•Auffinden von Auffinden von geometrischen geometrischen Komponenten ohne Komponenten ohne konkreten CAD-Bezugkonkreten CAD-Bezug•CFD-VernetzungCFD-Vernetzung

Lauffähiger Lauffähiger OpenFOAM-Fall OpenFOAM-Fall mit allen RBs und mit allen RBs und LösereinstellungenLösereinstellungen

CAD-InputCAD-Input

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ZusammenfassungZusammenfassung

Basis für anwendungsbezogene Berechnungswerkzeuge: •Definierte Lösungsfähigkeiten eines „Solvers“•Verfügbarkeit des Quellcodes•Objektorientierte Struktur•Adaptierbarkeit•Kommunikation auf Filebasis

Nach Anfordernissen Integration in den Workflow:• Komplette OpenSource Lösungen: geringer

Geometriekomplexität• Komplexe CAD-> proprietäre Zusatztools verfügbar

OpenFOAM: sehr gute Lösungsmöglichkeiten und Berechnungsverfahren für anspruchsvolle CFD-Analysen

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HinweisHinweis

7. OpenFOAM-Workshop dieses Jahr in Deutschland:Darmstadt, 25-28 Juni 2012

•Erwartet werden 300-400 Teilnehmer aus Forschung, Lehre und Industrie

•Umfangreiches Programm mit 3 parallelen Vortragssessions

•Weitere Informationen und Flyer an unserem Stand