In diesem Artikel wird eine grundlegende Simulation validiert, nämlich die eines Kreiszylinders in einem Luftstrom. Die Simulation in diesem Artikel wird anhand der Daten aus der experimentellen Forschung von J.-C. Bera et. al. [1].
Der in den aktuellen Simulationen verwendete Kreiszylinder hat einen Durchmesser von 10 cm. Die Luft strömt mit einer Geschwindigkeit von 20 m/s und einer Turbulenzintensität von 0,3 % in das Gebiet. Mit diesen Einstellungen ergaben die Experimente einen Widerstandskoeffizienten von 0,55 und einen Auftriebskoeffizienten von -0,03.
Das Gebiet um den Körper ist in der nachstehenden Abbildung dargestellt. Die Größe des Bereichs wird auf der Grundlage des Rohrdurchmessers festgelegt. Die Tiefe der Domäne ist ein (I) Durchmesser breit, wodurch das Rohr in Quasi-2D modelliert wird.
Abbildung 1: Bereich
Zur Durchführung einer Netzverfeinerungsstudie werden vier Netze erstellt. In der Abbildung unten ist das grobe Netz dargestellt. In diesem Netz werden zwei Verfeinerungsboxen erzeugt, um die vom Rohr ausgehenden Wirbel zu berücksichtigen. Bei jedem Netz wird die Basisgröße um den Faktor 2 verringert, beginnend mit einer Basisgröße von 10 cm für das grobe Netz und endend mit einer Basisgröße von 1,25 cm für das feinste Netz.
Abbildung 2: grobes Netz
Für diese Simulation wird eine Phase, nämlich Luft, verwendet. Es wird das realistische k-ε-Zweischichtenmodell mit einer Turbulenzintensität von 0,3 % und einer Referenzgeschwindigkeit von 20 m/s verwendet.
Es wurde eine Studie zur Netz- und Zeitverfeinerung durchgeführt, um die beste Annäherung an den Luftwiderstandsbeiwert im Vergleich zum Versuch zu finden. Die Ergebnisse dieser Studie sind in Abbildung 3 zu sehen. Der experimentelle Luftwiderstandsbeiwert ist in der Legende durch das Feld 0,55 dargestellt. Aus dieser Abbildung lässt sich schließen, dass eine maximale Basisgröße von 2,5 cm mit einem maximalen Zeitschritt von 1 ms erforderlich ist. Dies führt zu einem Fehler des Luftwiderstandsbeiwerts von 2,5 %. Dieser Fehler kann durch die Verwendung des feinsten Netzes mit einem Zeitschritt von 0,2 ms oder weniger auf einen Mindestwert von 1 % gesenkt werden. Ein Fehler von 2,5 % wird jedoch für die weitere Untersuchung als akzeptabel angesehen.
Abbildung 3: Studie zur Netz- und Zeitverfeinerung
[1]
J.-C. Bera, M. Michard, M. Sunyach and G. Comte-Bellot, „Changing lift and drag by jet oscillation: experiments on a circular cylinder with turbulent separation,“ European Journal of Mechanics – B/Fluids, vol. 19, pp. 575-595, 2000.
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