CFD-Simulation von Lüftungskanälen : Vergleich von OpenFOAM zu kommerzieller Software

Abstract

In dieser Arbeit wird anhand eines Lüftungskanals ein Vergleich der CFD-Programme FLUENT und OpenFOAM durchgeführt. Während ersteres kommerziell vertrieben wird und deshalb Lizenzgebühren bezahlt werden müssen, ist letzteres ein frei erhältliches Opensource-Programm. Für die Modellierung der Turbulenz werden das Realizable-k-epsilon-Modell und das Menter-k-omega-SST-Modell verwendet. Während die Implementierung des Realizable-k-epsilon-Modell in beiden Programmen gleich durchgeführt ist, weist das k-omega-SST-Modell Unterschiede auf. Diese können jedoch großteils auf eine unterschiedliche Definition der Modellkonstanten zurückgeführt werden. Auch die verfügbare Wandbehandlung zwischen den beiden CFD-Programmen ist unterschiedlich. In FLUENT ist es unter anderem möglich ein Enhanced Walltreatment auszuwählen, welches verspricht, sowohl für Rechennetze mit voller Wandauflösung als auch für Netze für Wandfunktionen geeignet zu sein. Eine derartige Wandbehandlung steht in OpenFOAM nicht zur Verfügung, sondern dieses bietet Wandfunktionen, für welche der Mindestwandabstand von Standardwandfunktionen eingehalten werden muss. Daher werden alle Berechnungen mit dem Realizable-k-epsilon-Modell in FLUENT zu Vergleichszwecken auch mit Standardwandfunktionen durchgeführt. Die Berechnungen für den Vergleich werden am Lüftungskanal des Fahrzeugs Typ C2 der U-Bahn München durchgeführt. Dazu wurde zuerst ein T-Stück aus diesem Kanal separiert und zwei Netze erstellt, die sich durch die Wandverfeinerung unterscheiden. Beim groben Netz wurde der Wandabstand erhöht, sodass die Voraussetzung für die Gültigkeit der Wandfunktionen besser erfüllt ist. Die Massenstromaufteilung am T-Stück erfolgte zu gleichen Teilen, also symmetrisch. Die Ergebnisse wurden mit analytischen Literaturwerten für den Druckverlustbeiwert und die Rohrreibungszahl verglichen. Das Resultat dieses Vergleichs ist, dass OpenFOAM am feinen Netz größere Schwankungen als alle FLUENT-Berechnungen aufweist. Am groben Netz stimmen die berechneten Druckverlustbeiwerte und Rohrreibungszahlen jedoch sehr gut überein. Es konnte aber eine große Abweichung zu den analytischen Werten festgestellt werden, welche auf die komplexe Geometrie des Kanals und des T-Stücks zurückgeführt werden. Zusätzlich wurde auch der Fall einer asymmetrischen Massenstromaufteilung am T-Stück simuliert. Dazu wurde eine Druckdifferenz zwischen den beiden Auslässen aufgebracht. Abermals wurden die Ergebnisse mit einer analytisch berechneten Lösung verglichen, für welche jedoch mangels entsprechender Literaturwerte vorausgesetzt werden musste, dass der Druckverlustbeiwert des T-Stück auch im asymmetrischen Aufteilungsfall auf beide Seiten hin ident und konstant ist. . Alle numerischen Ergebnisse wichen stark von der analytischen Lösung ab, was darauf hindeutet, dass der Druckverlustbeiwert des T-Stücks von dem Verhältnis der Massenstromaufteilung abhängig ist. Schlussendlich wurde der gesamte Lüftungskanal der U-Bahn München C2 gerechnet. Die darin verbauten Lochbleche, wurden als poröse Drucksprünge modelliert. Die entsprechende Randbedingung in OpenFOAM ermöglichte jedoch keine konvergente Lösung. Daher wurde der Quelltext einer artverwandten Randbedingung dahingehend editiert, dass der Drucksprung über die gesamte Lochblechfläche gemittelt wird. Dadurch konnten stabile Iterationen durchgeführt werden. Diese Randbedingung hat verglichen mit FLUENT sehr gute Ergebnisse ermöglicht, jedoch konnte nachgewiesen werden, dass der mittlere Drucksprung in OpenFOAM niedriger als in FLUENT ist. Der Lüftungskanal wurde für zwei Lastfälle berechnet, den Heiz- und den Lüftungsfall. Die generierten Lösungen wurden mit Messergebnissen verglichen. Es hat sich gezeigt, dass die numerischen Lösungen beider Programme im Heizfall stark vom Messergebnis für den Druckverlust abwichen und ähnliche Ergebnisse lieferten. Im Lüftungsfall hingegen lagen die mit OpenFOAM errechneten Druckverluste, für beide Turbulenzmodelle, insbesondere am groben Netz, näher am Messergebnis. Um die Abweichung des Messergebnisses von den numerischen Resultaten im Heizfall zu erklären, wurde eine transiente Simulation des Realizable-k-epsilon-Modells mit Enhanced Walltreatment in FLUENT durchgeführt. Ein zeitlicher Einfluss auf den Druckverlust konnte dadurch nicht ausgeschlossen werden. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass OpenFOAM ähnliche Ergebnisse wie FLUENT ermöglicht.

This thesis provides a comparison of the CFD-programs FLUENT and OpenFOAM. The first one is a commercial program and licence fees have to be paid for the use. OpenFOAM on the other hand is an open-source program, which can be downloaded for free. Turbulence was modeled with the Realizable k-epsilon model and the Menter k-omega SST model. While the implementation of the Realizable-k-epsilon -Model was exactly the same in both programs, the k-omega SST model differs, because the definitions of the model constants were varying between FLUENT and OpenFOAM. Also the available wall treatments between both CFD-programs were different. It was possible to use an enhanced wall treatment in FLUENT, which can be used for wall-function-meshes as well as for boundary-layer-meshes. OpenFOAM did not provide such a wall treatment, hence wall functions had to be used, which needed a certain wall distance in order to be valid. For the purpose of comparison, simulations with standard wall functions were performed with FLUENT. The given geometry for the comparison is the ventilation duct that was installed in the Munich subway of the type C2. For the first simulations a tee was extracted out of the ventilation duct and two meshes with different wall refinements were generated. For the coarser mesh, the wall distance was increased for a better satisfaction of the log-law requirements. At the tee, the flow was separated symmetrically. The results of the numerical simulations were compared to analytic values of the fluid resistance coefficient and the friction coefficient with the outcome, that the simulations done with OpenFOAM fluctuated more than all the FLUENT-simulations. But there was a huge deviation to the analytic values, which derived from the complex geometry of the tee. The asymmetric flow separation at the tee was also calculated and this was achieved by a pressure difference between the outlets of the domain. Again the results were compared to analytic values. The simulations with the SST k-omega model in FLUENT and the simulations done with OpenFOAM led to similar ratios of the massflow-separation dependent on the pressure-difference on both meshes. The huge difference between the numerical results and the analytical solution indicated that the fluid resistance coefficient was dependent on the ratio of the massflow-separation. Finally the whole ventilation duct of the Munich subway type C2 was simulated. Perforated sheets are used to gain an uniform massflow through each outlet into the passenger compartment. These perforated sheets were modeled as porous pressure-jumps in the CFD-simulations. The porous pressure-jump boundary condition was implemented in both programs, but it led to a divergence of the calculation in OpenFOAM. This problem was solved by adapting the existing fan-boundary condition in a way that pressure-losses can be reproduced. With this boundary condition similar results could be attained with OpenFOAM as with FLUENT, but it could be demonstrated, that the mean pressure-jump in FLUENT was larger than in OpenFOAM. Two cases of the duct were calculated, the heating case and the ventilation case. The achieved numerical results were compared to measurement values. While there was a huge deviation between numerical and measurement results in the heating case, there is a well fit in the ventilation case, especially regarding to the OpenFOAM results with both turbulence models. A transient simulation with the Realizable-k-epsilon -Model was run with FLUENT in order to check if transient effects could cause the difference between the numerical results and the measurement values. A temporal influence could not be excluded. All in all it was possible to gain similar results with OpenFOAM as with FLUENT and OpenFOAM is an usable alternative to commercial programs.