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A numerical calculation method for flow discretisation in complex geometry with body-fitted grids / Rechenverfahren zur Diskretisierung von Stroemungen in komplexer Geometrie mittels koerperangepasster Gitter

Authors
  • Jin, X.
  • karlsruhe, forschungszentrum
  • karlsruhe, forschungszentrum
Publication Date
Jan 01, 2001
Source
OpenGrey Repository
Keywords
Language
German
License
Unknown

Abstract

Zur Loesung staendig komplizierterer Stroemungsprobleme nimmt die Anforderung an die erfassbare Rechengeometrie zu. Fuer die Darstellung einer komplexen Geometrie sind kartesische oder zylindrische Koordinatensysteme, mit denen das Rechenprogramm FLUTAN arbeitet, allein nicht mehr ausreichend. Es besteht deshalb die Notwendigkeit von Stroemungsberechnungen im allgemeinen Koordinatensystem, damit die numerische Simulation in beliebiger, zumindest jedoch krummlinig berandeter Geometrie durchgefuehrt werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein numerisches Rechenverfahren fuer die Diskretisierung von Stroemungen in einem koerperangepassten Gitter entwickelt. Das Rechenverfahren wird durch die dreidimensionale Koordinatentransformation fuer die Impulsgleichungen, die Kontinuitaets- und Energiegleichung im versetzten nichtorthogonalen Gitter erstellt. Aufgrund der Anschaulichkeit und der leichteren Diskretisierung der transformierten Gleichungen werden kartesische Geschwindigkeitskomponenten eingesetzt. Die Definition aller drei kartesischen Geschwindigkeitskomponenten an jeder Oberflaeche eines Kontrollvolumens sichert die enge Druck-Geschwindigkeit-Kopplung auch auf stark krummlinigen Gittern. Nach der Diskretisierung und der linearen Interpolation erscheinen insgesamt 19 unbekannte Druckknoten in der transformierten Druckgleichung fuer drei Dimensionen. Durch die explizite Behandlung der querabgeleiteten Terme ergibt sich wieder der uebliche 7-Punkt-Gleichungstyp, der mit den existierenden Solvern geloest werden kann. Hierbei koennen die Randbedingungen direkt an den gekruemmten Raendern definiert werden. Das Rechenverfahren dieser Arbeit stellt einen Fortschritt dar gegenueber den bisherigen Verfahren fuer eine versetzte Anordnung. Das Rechenverfahren ist durch eine gemeinsame Daten- und Ablaufstruktur mit FLUTAN kompatibel und in diesem Programm realisiert. (orig.) / A numerical calculation method basing on body fitted grids is developed in this work for computational fluid dynamics in complex geometry. The method solves the conservation equations in a general nonorthogonal coordinate system which matches the curvilinear boundary. The nonorthogonal, patched grid is generated by a grid generator which solves algebraic equations. By means of an interface its geometrical data can be used by this method. The conservation equations are transformed from the Cartesian system to a general curvilinear system keeping the physical Cartesian velocity components as dependent variables. Using a staggered arrangement of variables, the three Cartesian velocity components are defined on every cell surface. Thus the coupling between pressure and velocity is ensured, and numerical oscillations are avoided. The contravariant velocity for calculating mass flux on one cell surface is resulting from dependent Cartesian velocity components. After the discretisation and linear interpolation, a three dimensional 19-point pressure equation is found. Using the explicit treatment for cross-derivative terms, it reduces to the usual 7-point equation. Under the same data and process structure, this method is compatible with the code FLUTAN using Cartesian coordinates. In order to verify this method, several laminar flows are simulated in orthogonal grids at tilted space directions and in nonorthogonal grids with variations of cell angles. The simulated flow types are considered like various duct flows, transient heat conduction, natural convection in a chimney and natural convection in cavities. Their results achieve very good agreement with analytical solutions or empirical data. Convergence for highly nonorthogonal grids is obtained. After the successful validation of this method, it is applied for a reactor safety case. A transient natural convection flow for an optional sump cooling concept SUCO is simulated. The numerical result is comparable with the experiment. To improve the cooling concept, a further simulation is carried out for a modified geometry with a slightly inclined cooler. This is difficult to be done in the Cartesian coordinate system. The result gained with the new discretisation method demonstrates an increase in the convection velocities and thus an improved cooling capability for the core melt. The method significantly expands the application range of the numerical simulation from simple geometry to arbitrary geometry. (orig.) / SIGLE / Available from TIB Hannover: ZA 5141(6596) / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische Informationsbibliothek / DE / Germany

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