Strömungssimulation mit Freeware

gemeinsame Forenentwicklung eines Rotorprofils

Strömungssimulation mit Freeware

Beitragvon resistance » Mi 10. Apr 2013, 21:49

Viele Fragen auf dem Gebiet der VAWT Widerstansläufer sind noch offen. Im Gegensatz zu Darrieusrotoren, bei denen durch die hohe TSR eine Art stationärer Zustand erreicht werden kann, sind die Strömungsverhältnisse bei Widerstandsläufern deutlich komplizierter. Nach und nach steigt im Forum der Erkenntnisgewinn über die physikalischen Zusammenhängen, doch es gibt viele änderbare Parameter, die dies erschweren. Das Experiment ist und bleibt unverzichtbar, ist aber aufwändig, da ein Windkanal, ein Prüfstand, sowie die Rotoren selbst verfügbar sein müssen.
Daher soll hier an einer möglichst realitätsnahen 2D Simulation gearbeitet werden, die einen Fortschritt auf diesem Gebiet leisten kann: Tendenzielle Stärken und Schwächen der Rotoren zeigen bzw. Vergleichbarkeit der Rotoren untereinander, außerdem Visualisierung der Luftströmung. Folgende Schritte sind hierfür nötig:

1. Es gilt die Werkzeuge für die Simulation bereit zu stellen. Die verwendete Software (CAD, Netzgenerieung, Solver, Auswertung) soll vielen Menschen zugänglich und daher Freeware sein. Zuerst soll hiermit ein Tutorial erarbeitet werden, dass die prinzipielle Simulation zeigt.

2. Nach und nach werden die Rechenparameter überarbeitet und die Simulationsergebnisse mit Versuchsergebnissen verglichen.

3. Liefert die Simulation befriedigende Ergebnisse, so kann man sich auf einheitliche Modellgrößen, Parameter, etc. einigen. Durch die allgemeine Zugänglichkeit können sich viele beteiligen und folglich viele Rotoren nach einheitlichem Schema berechnet und verglichen werden.

Da ich derzeit praktisch keine Kenntnisse mit Openfoam habe und bin für alle Tipps dankbar. Es gibt noch mehr freie CFD Programme wie Elmer oder Salome. Nur weiß ich nicht inwiefern eine 2D Simulation mit drehendem Netz mit diesem möglich ist. In diesem Thread darf erstmal alles landen, was zum Thema passt; später kann man das zu einem Tutorial zusammenfassen.
An alle Windradbastler und Simulanten: Wir können hier Schritt für Schritt ein Werzeug zur Optimierung der Rotoren schaffen.Ich freue mich auf eure Beteiligung.

Grüße Felix
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Re: Strömungssimulation mit Freeware

Beitragvon resistance » Mi 10. Apr 2013, 22:38

Ich teste vorerst folgende Programme:

Geometrieerstellung: FreeCAD http://sourceforge.net/projects/free-cad/files/
Netzgenerierung: Gmsh http://geuz.org/gmsh/#Download
CFD: Openfoam http://www.openfoam.org/download/
Visulaisierung: Paraview (ist bei den Paketen von Openfoam dabei)

Bis auf Openfoam sind die Programme unter Windows, Mac und Linux verfügbar. Openfoam läuft nicht auf Windows; ist wahrscheinlich nicht sinnvoll hier zu virtualisieren, weil man die Rechenleistung braucht. Wie gut, dass Linux nichts kostet - ich empfehle es jedem :)
Nach meinem Kenntnisstand ist FreeCAD das beste frei verfügbare CAD. Es ist noch lange nicht mit kommerziellen Systemen vergleichbar, aber neue Funktionen kommen schnell hinzu.
Insofern erlaube ich mir hier auch Werbung dafür zu machen: Keiner ist böse, wenn mal 2€ gespendet werden (über den Donate Button oben auf sourceforge.net). Man muss sich vor Augen halten was kommerzielle CAD Software kostet (kein Wunder, dass die nirgends gern Preise angeben). Und in ein paar Jahren wird es das frei verfügbar für jeden geben. Man kann dann auch die Baupläne für Windräder zeichnen ;)

Man legt mit FreeCAD einen Skizze an und exportiert diese als .igs exportieren. Diese kann anschließend über Gmsh vernetzt werden. Leider stößt man hier bereits an die Grenzen von FreeCAD: Splines und Kreismuster in der Skizze gibt es derzeit (April 2013) noch nicht. Die B-Splines aus dem Drafting Modul funktionieren hier nicht bzw. werden mit Gmsh nicht korrekt vernetzt. Daran wollen wir uns aber vorerst nicht stören. In Gmsh kann die komplette Geometrie ebenso erstellt werden; leider nicht sehr komfortabel.

Hat man in FreeCAD aus der Skizze ein .igs erstellt, so kann man es über "Open" in Gmsh öffnen.

Über "Geometry/Elementary entities/Add/Plane Surface" im Baum müssen dann alle Kanten angewählt werden; so wird eine Fläche erstellt. Bestätigt werden die Vorgänge im Programm immer mit "e".

Über "Mesh/Define/Element size at points" kann die Elementgröße an ausgewählten Punkten definiert werden.

"Mesh/2D" erstellt das Netz.

"Mesh/Set order 2" stellt die Ansatzfunktione auf quadratisch. Das heißt, dass von Knoten zu Knoten statt einer Linie (1. Ordnung) nun eine Prabel verläuft, die die Geometrie besser nachbildet.

Mit "Mesh/Refine by Splitting" kann man die Zellen weiter aufteilen.

Gmsh stürtzt gerne mal ab, aber es funktioniert. Nun sind wir schon bei einem 2D Netz. Soweit ich weiß kann Openfoam das Gmsh Netzformat importieren bzw. konvertieren. Nun geht es daran, mehr über Openfoam herauszufinden: Ziel ist es ertmal, dass der drehende Rotor berechnet werden kann; das kann vorerst mit grobem Netz und falschen Bedingungen erfolgen - es muss erstmal funktionieren. Schon mehrere Leute haben das geschafft:

http://www.vawts.net/t37843403/spinoff-results/
http://www.vawts.net/t33437465/meshing-a-simulation/
http://www.youtube.com/results?search_query=openfoam+vawt&search=Search

Leider hat es noch nichts zu bedeuten, dass man schöne bunte Bilder hat. Dennoch: Soweit müssen wir erst noch kommen.
Für die Rechnungen wurde laut Angaben das "arbitrary mesh interface", der "pimpleDyMFoam" Solver und das k-omega Turbulenzmodell verwendet.

Gruß Felix
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Re: Strömungssimulation mit Freeware

Beitragvon vitruv » Do 11. Apr 2013, 22:16

interessante zusammenstellung, ich suche ebenfalls nach einer freeware zur strömungssimulation, allerdings für mac oder pc (noch ein system will ich nicht...). und wenn möglich, mit GUI.

zur mesh-erzeugung: welche vorteile hat ein finite-elemente mesh? ich frag nur, weil ich als 3d grafiker genau das vermeide, weil es furchtbar ungenau und schlecht skalierbar bzw. unterteilbar ist (subdivision-surfaces etc.).

lg
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Re: Strömungssimulation mit Freeware

Beitragvon resistance » Fr 12. Apr 2013, 07:37

Hallo vitruv,

physikalische Vorgänge kann der Computer nur simulieren, wenn man die Geometrie in kleine Teilbereiche einteilt. Jeder Teilbereich hat seine Eigenschaften und wird berechnet.
...furchtbar ungenau...

Genau das ist der Sinn davon: Es ist nicht möglich (und nötig) die Vorgänge mit winzigsten Elementen (z.B. atomar) zu rechnen - das dauert zu lang. Daher eine grobe Einteilung.

Einer Strukturanalyse funktioniert so: Man stellt sich von jedem Knoten im Rechennetzt zum nächsten eine kleine Feder vor; deren Steifigkeit wird maßgeblich durch das E-Modul bestimmt. Bringt man auf einen Körper, der sich aus diesen Elementen bzw. Federn zusammensetzt, Kräfte auf, so verformen sich die Federn entsprechend. Natürlich benötig man genug Elemente um ein realistisches Ergebnis zu erhalten bzw. um die Fehler gering zu halten.

Ein Tetraedernetz ist Standard. Zur Strömungssimulation verwendet man auch Polyedernetze, die weniger Rechenzeit benötigen. Hat man das Netz aus der Geometrie erzeugt, muss man nicht mehr skalieren. Ist das Netz zu grob, erzeugt man normalerweise ein neues.

...allerdings für mac oder pc.

Hast du einen Mac oder einen PC, dann wirst du alle genannten Programme installieren könne. Lediglich Openfoam läuft nicht auf Windows. Für Freie Software ist Linux aber schon eine gute Plattform. Wenn du dich mit dem Thema beschäftigen willst: http://www.caelinux.com/CMS/ Mehrere Simulationsprogramme auf einer Live CD, auch mit GUI (Salome, Elmer).

...und wenn möglich, mit GUI.

Lass dich beruhigen: Kommerzielle Programme für viele Tausend Euro haben das. Und auch mit denen hat man seine Freude bei der Einarbeitung ;) Bei der Strömungssimulation, die sehr anspruchsvoll ist, macht es für mein Empfinden nicht so viel aus, ob du die vielen, vielen Parameter in eine GUI eingibst, oder wie bei Openfoam in ein Textfile schreibst. Das ändert nichts daran, dass man sich lange einarbeiten muss, weil die Materie nicht gerade einfach ist.

Gruß Felix
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Re: Strömungssimulation mit Freeware

Beitragvon squarespiral » Do 12. Nov 2015, 14:53

Hallo Felix!

resistance hat geschrieben:An alle Windradbastler und Simulanten: Wir können hier Schritt für Schritt ein Werzeug zur Optimierung der Rotoren schaffen.Ich freue mich auf eure Beteiligung.


Dein Beitrag ist zwar schon etwas älter, aber nachdem ich gerade etwas ähnliches gemacht habe...

Klar geht das - wir arbeiten mit Blender und OpenFOAM - hier ist ein kleines Video:

Animation einer Windradsimulation

und hier ein wenig Hintergrundinformation dazu:

Simulation eines Windrades unter Berücksichtigung des Wind-Höhenprofiles

Sieht ziemlich fetzig aus, finde ich :)
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Re: Strömungssimulation mit Freeware

Beitragvon Famzim » Fr 13. Nov 2015, 22:13

Hallo
Schöne Simu, da stimmt aber nicht viel von, ausser der Drehrichtung des Rotors.
Die Wirbelschleppe, die dar gestellt wirt, folgt in Wirklichkeit nicht den Rotorblättern wie ein braver Hund , sondern hat einen entgegen gesetzten Drall.
Rotorblatt rechts herum und die vom Blatt abgelängte Luft links herum.
Es ist keine Schleppe die dem Blatt folgt wie bei einem Flugzeug, dort bringt die Fläche Bewegungsenergie in die Umgebungsluft ein, dadurch wird sie etwas mitgerissen .
Beim Repellerblatt treibt die Umgebungsluft das Blatt an, und wird in die andere Richtung abgeleitet.
In Turbinen folgt nach jedem Repellerblatt auch ein Leitblatt, um die abgeleitete Strömung wieder um zu lenken.
Das ist beim Windrad nicht der Fall, also ziehen die Wirbel nach verlassen des Blattes, in entgegengesetzter Richtung ihre Bahn.
Der Wirbel vergrössert dabei ständig seine Ausmaße in dem er weitere Umgebungsluft im Wirbel integriert. und beruhigt sich dadurch.

Gruß Aloys.
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Re: Strömungssimulation mit Freeware

Beitragvon squarespiral » Mo 16. Nov 2015, 22:36

In der Simulation sind gar keine Wirbel dargestellt, sondern die Vorticity ;)
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