PDF-Version-A +A

CFD-Anwendungen OpenFOAM und PHOENICS

Für Simulationen der Strömungs- und der Konzentrationsverteilung bei komplexen geometrischen Strukturen werden die CFD-Modelle OpenFOAM (LES, RANS) und PHOENICS (RANS) eingesetzt. (CFD = Computational Fluid Dynamics).

Nähere Informationen zu OpenFOAM (Abb. 1) finden Sie hier.


Abb. 1: 3D-Momentaufnahme einer Ausbreitungsfahne berechnet mit OpenFOAM im LES-Modus.

 

PHOENICS ("P"arabolic, "H"yperbolic "O"r "E"lliptic "N"umerical "I"ntegration "C"ode "S"eries) ist ein Programmsystem zur Simulation von Massen- und Wärmetransportvorgängen in Flüssigkeiten und Gasen. Es wurde mit dem Ziel entwickelt, die wohldefinierten physikalischen Gesetze der Fluidmechanik in Form eines zuverlässigen Standardprogramms für die numerische Simulation verfügbar zu machen. PHOENICS ist seit vielen Jahren in unserem Büro im Einsatz.

PHOENICS wird eingesetzt bei

  • Gebäudeumströmungen
  • Innenraumströmungen und
  • Tunnelströmungen.

Beispiel 1 zeigt die gebäudebeeinflusste Strömung in topografisch gegliedertem Gelände. In der Abbildung werden zum einen Trajektorien und zum anderen ein Vertikalschnitt der Geschwindigkeitsverteilung dargestellt. Die Trajektorienverläufe zeigen deutlich den durch die Gebäude gestörten Strömungsbereich sowohl vor als auch hinter den Gebäuden auf.

Beispiel 2 zeigt Vertikalschnitte der Temperaturverteilung sowie der hierdurch induzierten Strömung in einer Gießereihalle. In den beiden Abbildungen ist die Gießereihalle als "Drahtmodell", d. h. durchsichtig dargestellt.

Beispiel 3 zeigt die zuginduzierte Tunnelströmung in einem einfachen U-Bahnhof in der Draufsicht. Die Tunnelgeometrie ist ebenso als Drahtmodell dargestellt.

Beispiel 4 zeigt die komplexe Geometrie des U-Bahnhofs Berlin Hermannplatz. Das Modell ist Basis für Simulationen der Strömung und Ausbreitung mit PHOENICS.

Beispiel 1: Gebäudebeeinflusste Strömung in topografisch gegliedertem Gelände. Trajektorien und Vertikalschnitt der Geschwindigkeitsverteilung, Farbskala ist dem Betrag der Geschwindigkeit zugeordnet, rot = 6 m/s.

 

 

 

 

 

 

 

Beispiel 2: Temperaturinduzierte Strömung in einer Gießereihalle
(oben: Vertikalschnitt der Geschwindigkeitsverteilung. Farbskala ist dem Betrag der Geschwindigkeit zugeordnet, rot = 1.6 m/s, unten: Vertikalschnitt der Temperaturverteilung. Farbskala ist dem Betrag der Temperatur zugeordnet, rot = 35°C, blau = 20°C)



Beispiel 3: Die zuginduzierte Strömung in einem U-Bahnhof

Beispiel 4: Virtual Reality Animation vom U-Bahnhof Berlin Hermannplatz

Simulation der Ausbreitung von Luftbeimengungen in einem U-Bahnhof. Lage der Quelle: Untere Ebene, Gleis 1, Tunnelportalmund (ganz rechts im Bild).

Beispiel 5: Simulation der Strömung und der Konzentrationsverteilung in einem Reaktor zur Untersuchung der Wirksamkeit von photokatalytisch aktiven Oberflächen zur Reduktion von Stickoxiden.

 

Im Videoclip wird die mit der CFD-Software PHOENICS simulierte Strömung in der UNI-Reaktionskammer durch Trajektorien visualisiert. Da der Reaktor symmetrisch ist, werden Trajektorien nur von einer Hälfte des Reaktors dargestellt.

Im ersten Teil des Videoclips (bis 0:47) repräsentiert die Farbe der durch den Reaktor fliegenden Kugeln die jeweilige Verweildauer im Reaktor. (Farbskala zu sehen bis 0:04) Die den Reaktor verlassenden Kugeln in blauer Farbe zeigen an, dass deren Verweildauer nur wenige Sekunden beträgt. Rot eingefärbte Kugeln befinden sich hingegen bis zu 90 sec. im Reaktor.

Im zweiten Teil des Videoclips (ab 0:48) repräsentiert die Farbe der Kugeln die jeweilige auf die Eintrittskonzentration normierte lokale Konzentration im Reaktor. (Skala dargestellt von 0:55 bis 1:01). Die eingeblendete zweidimensionale Farbfläche (zu sehen zwischen 0:58 bis 1:08) stellt die normierte Konzentrationsverteilung direkt über der photokatalytisch aktiven Betonoberfläche dar. Es fällt die inhomogene Konzentrationsverteilung auf.

Mit Hilfe der Modellsimulationen wird die photokatalytische Abbaugeschwindigkeit von NO und NO2 bestimmt.