Particleworks™ | Features und Funktionen

Randbedingungen

Wände
Wände bzw. Festkörper können entweder durch Partikel dargestellt, oder als einfache Begrenzungsflächen für die Strömung berücksichtigt werden („Polygons“). Die Diskretisierung durch Partikel erlaubt die Berechnung von Temperaturverläufen in Festkörpern oder die Durchführung von Starrkörpersimulationen (z. B. das Eintauchen und Aufschwimmen eines Körpers in eine Flüssigkeit). Ist der Körper hingegen lediglich als Strömungshindernis zu betrachten, können seine Wände als Polygon definiert werden, was sich durch deutlich schnellere Rechenzeiten und einen geringeren Ressourcenverbrauch auszeichnet.

Einlässe
Ein Einströmen in das Berechnungsgebiet kann durch die Vorgabe einer Geschwindigkeit oder einen Volumenstrom definiert werden. Der Einströmquerschnitt kann hierbei eine beliebige Form haben und seine Position über die Zeit ändern.

Bewegliche Ränder
Durch den gitterlosen Ansatz ist es möglich, alle Randbedingungen (z. B. Wände) frei im Raum zu bewegen. Hierfür reicht die Angabe einer Bewegungsvorschrift in Abhängigkeit der Zeit aus, was den Modellierungsaufwand drastisch senkt. Anwendungsbeispiele hierfür sind z. B. rotierende, durch einen Ölsumpf geschmierte Zahnräder oder eine Wasserdurchfahrt eines Fahrzeugs.

Druck

Explizite und implizite Berechnungsmethoden
Verschiedene Methoden zur Berechnung des Druckfelds, passend für den jeweiligen Anwendungsfall.

Glättung des Druckfelds (Pulsationen)
Numerisch bedingte und lokal auftretende Druckpulsationen können durch geeignete Funktionen unterdrückt bzw. gedämpft werden um genauere Ergebnisse zu erzielen.

Negative Pressure Model
Bei konventionellen partikelbasierten Berechnungsmethoden kann der Druck für Partikel an der freien Oberläche unter den Umgebungsdruck fallen („negative Pressure“), was zu einem inkorrekten Druckgradienten entlang der Partikel unterhalb der Oberfläche führen kann. Durch das „Negative Pressure Model“ wird dies in Partikelworks berücksichtigt, so dass ein genaureres Druckfeld berechnet wird.

Luftwiderstand

Particleworks kann den Luftwiderstand einer Flüssigkeit bzw. die Überlagerung mit einer definierten Anströmgeschwindigkeit berücksichtigen. Hierzu kann der implementierte finite Volumen Strömungslöser (1- und 2-Wege Kopplung zwischen Luft und Flüssigkeit) genutzt werden. Alternativ können auch CFD-Berechnungsergebnisse im CSV-Format importiert werden. Dies ist z. B. bei der Simulation von Regentropfen hilfreich, welche durch das Strömungsfeld um ein Fahrzeug in ihrer Bahn beeinflusst werden.

Viskosität

Newtonsche / nichtnewtonsche Fluide

Particleworks kann sowohl newtonsche als auch nichtnewtonsche Fluide berechnen. Für nichtnewtonsches Fließverhalten stehen gängige Modelle zur Verfügung (z. B. Power-Law Ansatz oder Bingham-Fluide), es können aber auch benutzerdefinierte Funktionen für die Viskosität hinterlegt werden.

Hochviskose Fluide

Die Simulation von hochviskosen Fluiden erfordern oft sehr kleine Zeitschritte, was zu einer längeren Berechnungsdauer führt. Die in Particleworks verfügbaren impliciten Berechnungsmethoden ermöglichen eine größere Flexibilität bezüglich des verwendeten Zeitschritts, so dass kürzere Rechenzeiten erreicht werden können.

Turbulenz

Zur Berechnung turbulenter Strömungen kommt in Particleworks ein hybrides Turbulenzmodell zur Anwendung. Dieses kombiniert den LES Ansatz (Large Eddy Simulation) mit einem Modell zur Verbesserung der Auflösung wandnaher Strömungsregime.

Oberflächenspannung

Zur Bestimmung der Oberflächenspannung bietet Particleworks zwei Modelle an: Während beim CSF-Modell (Continuum Surface Force) die Oberflächenspannung basierend auf der Form der freien Oberfläche berechnet wird, bietet das Potenzial-Modell die Möglichkeit, einen Kontaktwinkel zwischen Fluid und Festkörper, bzw. zwischen Fluid und Fluid anzugeben. Durch die Berücksichtigung von Kohäsionskräften zwischen den Partikeln können nicht ineinander lösliche Gemische (z. B. Wasser und Öl) simuliert werden.

Starrkörper

Die Modellierung von Festkörpern durch Partikel erlaubt die einfache Starrkörpersimulation, d. h. die Wechselwirkung zwischen dem Fluid und beliebig vielen nicht deformierbaren Festkörpern.

2D-Simulation

Bei als translatorisch periodisch anzunehmenden Fragestellungen (z. B. Ausbreitung einer Flutwelle) können die Rechenzeiten durch die in Particleworks verfügbare 2D-Simulation deutlich reduziert werden.

Wärmeübergang

Particleworks kann sowohl Wärmeübergänge zwischen Fluid und Festkörper, als auch Temperaturgradienten im Festkörper berechnen. Des Weiteren können eine temperaturabhängige Viskosität sowie eine Erwärmung aufgrund von Scherung berücksichtigt werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, den Wärmeübergangskoeffizienten Zwischen Flüssigkeit und Festkörper von Particleworks bestimmen zu lassen. Dieser kann anschließend als Input für weiterführende bzw. ausgelagerte und bestehende Modelle mittels Kopplung (z. B. mit ANSYS Mechanical) verwendet werden, um die Temperaturverteilung in den Festkörpern zu bestimmen.