Zur Generierung eines Finite-Volume-Netzes für CFD muss das Modell topologisch korrekt sein. Modellgrenzen werden in RWIND 3 über Dreiecke definiert. Topologisch korrekt bedeutet, dass diese Dreiecke ein geschlossenes Dreiecknetz bilden müssen – jede Netzkante hat genau zwei benachbarte Dreiecke und die Dreiecke dürfen sich bis auf die gemeinsamen Kanten und Wirbel nicht schneiden oder berühren. Tatsächlich ist die genaue Definition eines „topologisch korrekten“ Modells komplizierter, jedoch wollen wir hier nicht auf alle Details eingehen.
Herkömmliche CAD-Modelle sind topologisch oft nicht korrekt. Dreiecke eines 3D-Objekts schneiden sich mit Dreiecken anderer Objekte, die Modellgrenze ist nicht geschlossen usw. Die Vorverarbeitung solcher Modelle für eine CFD-Analyse kann sehr umfangreich werden und 60-80% der Zeit des Ingenieurs in Anspruch nehmen. Diese Arbeit zu erleichtern, ist daher eines der größten Features von RWIND 3. Dies wurde durch die Implementierung eines so genannten vereinfachten Modells erreicht. Das vereinfachte Modell wird durch ein spezielles Netz dargestellt, das das ursprüngliche Modell so “Shrink-wrapping” macht. Dieses Netz ist topologisch korrekt und kann daher als Modellgrenze für die Generierung eines 3D-Finite-Volumen-Netzes für die CFD-Berechnung verwendet werden.
Modellnetztypen
In RWIND 3 gibt es 5 Arten von Netzen mit jeweils einer eigenen Rolle im Berechnungsprozess. Hier ist eine Übersicht, sortiert vom RFEM 6-Originalmodellnetz bis zum RWIND 3-Berechnungsnetz:
Netz des Originalmodells
Matten, die in RFEM 6 aus dem ursprünglichen FEM-Netz erstellt wurden. Es gibt zwei Arten:
- M1: Netz basierend auf dem FEM-Netz des RFEM 6-Modells oder des importierten STL-Modells
- M2: Verfeinertes Netz zur besseren grafischen Darstellung der Ergebnisse am ursprünglichen Modell. RWIND 3 verfeinert das ursprüngliche Modellnetz, um einen besseren Übergang der Ergebnisse aus dem Oberflächenberechnungsnetz zum ursprünglichen Modell zu ermöglichen.
Vereinfachtes Modellnetz
Das von RWIND 3 generierte Netz
- M3: Das durch Shrink-Wrapping erzeugte Netz verbessert topologisch das M1-Netz. Durch das Shrink-Wrapping-Verfahren wird ein vereinfachtes Modell der komplexen Struktur erzeugt, wobei der Detaillierungsgrad des ursprünglichen Modells reduziert wird. Das Shrinkwrap Mesh wird dann als Eingabe-Randnetz für die CFD-Berechnung in OpenFOAM verwendet.
Berechnungsmodellnetz
Mit OpenFOAM generierte Matten. Es gibt zwei Arten:
- M4: Durch OpenFOAM erstelltes Flächenberechnungsnetz auf Basis des M3-Netzes, der Grundlage (Randnetz) für die Generierung des M5-3D-Volumennetzes. An diesem Flächennetz (Berechnungsnetz) werden nach der Berechnung die Flächenergebnisse angezeigt.
- M5: 3D-Volumennetz, generiert durch BeiísrastpyHexMesh basierend auf dem Randflächennetz (M4). Um mehr über den Prozess der Netzgenerierung zu erfahren, folgen Sie dem Link gleichen hier aus. Das Netz M5 füllt das 3D-Strömungsgebiet um das Modell und nach der Berechnung werden auf diesem die Strömungsfeldergebnisse angezeigt.
Modellvereinfachung
Durch das vereinfachte Modell werden die meisten Probleme, die sonst manuell korrigiert werden müssten, automatisch korrigiert. Diese Probleme beinhalten:
- Unnötige Details (siehe Punkt 1 im Bild Topologische Imperfektionen): Details, die für die gegebene Simulation nicht relevant sind und dazu führen könnten, dass die Berechnung aufgrund nicht ausreichend feiner Diskretisierung instabil wird.
- Schnittpunkte der Dreiecke (siehe Punkt 2)
- Offene Kanten und Flächen mit Dicke Null (siehe Punkt 3)
- Öffnungen, durch welche die Flüssigkeit (Wind) in das Gebäudeinnere strömt (siehe Punkt 4)
Das Bild der vereinfachten Modelle unten zeigt einige Beispiele für automatisch korrigierte Modelle.
Bei der Vereinfachung des Modells können der Detaillierungsgrad sowie die maximale Größe der zu schließenden Öffnungen festgelegt werden. Die Windlast auf ein Gebäude mittels eines vereinfachten Modells zu ermitteln, basiert auf folgender Annahme: Wenn sich das vereinfachte Modell der Form des ursprünglichen Modells gut annähert, wird sich auch die für das vereinfachte Modell berechnete Last den korrekten Werten annähern.
Obwohl in den meisten Fällen die Verwendung des vereinfachten Modells vorgeschlagen wird, kann der Benutzer diese Option deaktivieren und die importierten Modellgrenzen für die Berechnung verwenden. Diese Option ist jedoch nur fortgeschrittenen, in CFD-Analysen erfahrenen Anwendern zu empfehlen.
Ergebnisextrapolation
Nach der Berechnung haben wir die Ergebnisse auf dem Berechnungsnetz und müssen diese auf die Fläche des ursprünglichen Modells (also das "Originalnetz") übertragen. RWIND verwendet dafür einen nachfolgend beschriebenen Extrapolationsprozess.
Der Extrapolationsprozess kann in zwei Hauptabschnitte unterteilt werden:
1. Festlegung der Begrenzungsdreiecke
Der Extrapolationsprozess beginnt mit dem Lokalisieren der Begrenzungsdreiecke des Netzes auf der Modelloberfläche. Wir suchen nach Dreiecken, deren Mittelpunkt nah genug am ursprünglichen Netz liegt. Dabei werden Kriterien berücksichtigt, wie z. B. Dreiecke sich nicht überlappen etc.
2. Extrapolation des Drucks auf das Netz des ursprünglichen Modells
Dann suchen wir uns für jedes Randdreieck des ursprünglichen Netzes einen passenden Punkt auf dem Berechnungsnetz und finden dort den Druckwert.
Um einen Punkt auf dem Berechnungsnetz zu finden, konstruieren wir zuerst die Normale n im Mittelpunkt des Dreiecks S und suchen dann einen resultierenden Punkt im Schnittpunkt der Normalen n mit dem Dreieck des Berechnungsnetzes, siehe Bild unten. Kann der resultierende Punkt so nicht gefunden werden, so wird der nächstmögliche Punkt in der Umgebung genommen.
Wenn es uns gelingt, einen geeigneten Punkt auf dem Berechnungsnetz zu finden, verwenden wir den Druckwert an diesem Punkt und übertragen ihn auf das gesamte Dreieck des ursprünglichen Netzes, siehe Bild. Das Ergebnis dieses Prozesses sind die Druckwerte in jedem Dreieck des ursprünglichen Modellnetzes. Auf der Oberfläche des Modells sind diese Werte ungleich Null (positive Werte = Druck, negative Werte = Sog), und auf dem restlichen Modell ist der Druck gleich Null. Es lassen sich dann die Kräfte berechnen, die in den Mittelpunkten der Dreiecke aufgrund des von der Oberfläche der Dreiecke induzierten Drucks wirken. Die Richtung der Kraft ist in die Normale zum Dreieck gerichtet.
Überprüfung des Berechnungsnetzes vor der Berechnung
RWIND hat die Berechnungsnetzparameter für viele Modelle standardmäßig sehr gut voreingestellt (Detaillierungsgrad etc.), aber die Anwendungsbreite von RWIND ist sehr groß und eventuell finden nicht alle Modelle die Voreinstellungen ideal.
Wenn wir vermuten, dass unser Modell spezifischere Einstellungen erfordert (z. B. Gebäudedetails spielen eine entscheidende Rolle bei der Windströmungssimulation), bietet es sich an, das Rechennetz vor der Berechnung zu überprüfen. Das folgende Bild zeigt, wie die beiden Netze dargestellt werden.
Hier einige Tipps, worauf Sie achten sollten:
- Ob das generierte Berechnungsnetz die Geometrie des Modells ausreichend erfasst, ob die Vereinfachung zu hoch ist, siehe Bild unten.
