Vergleich von RWIND mit ABAQUS, ANSYS und einem Modellversuch auf Basis einer Masterarbeit

Der nachfolgende Beitrag beschäftigt sich mit dem Vergleich einer Referenzstudie der TU Graz [1] mit einer nachmodellierten Simulation in RWIND.

Im Rahmen dieser Studie wurde ein quaderförmiger Körper in einem Windkanalversuch hinsichtlich Druckverteilung untersucht. Im Anschluss wurde jeder Versuch in ABAQUS und ANSYS modelliert und die Ergebnisse miteinander verglichen.

Dabei wurden die längsseitige Anströmung sowie die querseitige Anströmung mit jeweils 2 Strömungsprofilen untersucht. Weil die Ergebnisse beider Windprofile sich stark ähneln, wurde nur die höhere Anströmgeschwindigkeit für diesen Vergleich ausgewählt.

Wie in der Referenzstudie wurden die Cp-Werte an der vertikalen Mittellinie für die Längs-, und Queranströmung ausgewertet. Im Experiment wurden dafür die Sensordaten der mittig liegenden Sonden verwendet. Nachfolgend sind die Ergebnisse vergleichend angegeben. Die Punkte der Kurven aus der Referenzstudie wurden dabei mit dem Tool ENGAUGE Digitizer ausgelesen und daher nicht miteinander verbunden.

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Modell | Verfikationsmodell Vergleich RWIND Mit ABAQUS und ANSYS

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Modell | Einstellungen Windsimulation für Verfikationsbeispiel MA-Werth

Zunächst kann beobachtet werden, dass alle 3 Netzdichten in RWIND gut korrelieren. Eine dichtere Vernetzung ist damit nicht ratsam. Die 3 Simulationen in RWIND scheinen die Punkte des experimentellen Benchmarks besser zu treffen als die Simulationen in ABAQUS und ANSYS. Gerade in mittlerer Höhe des Probekörpers ist die Abweichung von den anderen beiden Solvern sehr groß.

Auffällig ist dabei der Anstieg der Cp-Werte zum Boden hin in ABAQUS und ANSYS. Das Experiment kann diesen wegen Mangel an Sensoren in dem Bereich nicht bestätigen, allerdings scheinen die Ergebnisse physikalisch unlogisch. RWIND zeigt diese Anomalie nicht. Insgesamt scheint RWIND die Cp-Werte des Experiments trotz simplerer Ansatzfunktionen und damit geringeren Rechenaufwands also besser zu treffen.

Gegenüber der Längsanströmung lässt sich für die Queranströmung die gleichen Schlüsse ziehen. Die Ergebnisse der Vergleichsarbeit liegen näher an dem experimentellen Benchmark als noch bei der Längsanströmung, die RWIND Ergebnisse zeigen aber einen vergleichbar guten Fit. Auch hier lässt sich die Anomalie der Cp-Verläufe in Bodennähe beobachten.

Neben der Auswertung an der vertikalen Mittellinie liefert die Vergleichsarbeit Falschfarbenbilder für den Cp-Wert-Tensor. Es bietet sich also ein Vergleich der Cp-Verteilung an den verschiedenen Flächen an.

Die Bilder des experimentellen Benchmarks sind dabei mit Vorsicht zu genießen. Aufgrund der relativ groben Verteilung der Drucksensoren ist die Darstellung der Niveaulinien mehr Annahme als Messung. Gerade an den Rändern dürfte der reale Cp-Wert deutlich niedriger liegen, schließlich gibt es gerade in diesem kritischen Bereich ja auch keine Sonden.

Anzumerken sei hierbei, dass in der Ergebnisanzeige von RWIND nur halb so viele diskrete Farb-Werte-Bereiche zu Verfügung stehen wie bei ABAQUS und der experimentellen Untersuchung, weswegen weniger die Farben an sich als die korrespondierenden Wertebereiche visuell verglichen werden sollten. Des Weiteren wird aus Gründen der Übersichtlichkeit im Folgenden nur die ANSYS-Simulation der Referenzstudie verwendet. ANSYS hat tendenziell die besseren Ergebnisse, insgesamt ähneln sich die Ergebnisse aber sehr viel stärker als z.B. ABAQUS und RWIND.

Für die Längsströmung der Vorderseite bestätigen sich die Erkenntnisse aus den Plots der Mittellinie. Die RWIND Simulation scheint die konkreten Cp-Werte auch flächig besser zu treffen als die ANSYS, die Verteilung ist hingegen in allen Beispielbildern sehr ähnlich. Die im vorherigen Punkt beschriebene Zunahme der Werte im Bodenbereich im ANSYS-Bild zeigt sich auch hier und wird weder von Experiment noch RWIND bestätigt. Auffällig ist auch wieder, dass bei allen Simulationen der Cp-Wert zum Rand des Körpers hin stark abnimmt, im Experiment aber nicht. Dieser Unterschied ist vermutlich auf das Fehlen von Sensoren in diesem Bereich zurückzuführen. Insgesamt ist die Simulation der Druckseite in RWIND also sehr überzeugend, gerade im Hinblick auf den relativ geringen Ressourcen und Modellierungsaufwand verglichen mit anderen Programmen.

Für die Sogseite setzen sich die Trends der Druckseite nicht fort. Während die Niveauverteilung der Cp-Werte bei RWIND leicht besser mit der Simulation übereinstimmt als die ANSYS-Simulation sind die konkreten Werte deutlich niedriger. Die Niveauverteilung in RWIND stimmt mit Ausnahme der Kante zur Anströmungsseite tendenziell besser mit den Versuchen überein als ANSYS. Die Lokalen Minima liegen in beiden CFD-Simulationen an der Vorderkante, sind bei ANSYS aber klar konzentriert und bei RWIND flächige verteilt. In ANSYS liegen bei etwa -1.2, wogegen RWIND mit -2.47 noch einmal erheblich darunter liegt. Hier zeigt ANSYS klar das physikalischere Verhalten. Am Ende der Strömung abgewandten Seite dreht sich dieser Trend direkt um. Hier liegen RWIND und ABAQUS unter dem Wert der Versuche. Auch hier ist diese Beobachtung wegen der Verteilung der Drucksonden aber fraglich. Das Cp-Minimum in der Bodengegend der ANSYS-Simulation folgt dem bereits beschriebenen Trend. Insgesamt scheint RWIND an den durch Sog dominierten Seiten schlechtere Ergebnisse zu liefern als ANSYS oder ABAQUS. Der simplere Elementansatz könnte dafür womöglich verantwortlich sein. Eine instationäre Untersuchung in RWIND könnte beispielsweise die deutlich überschätzten Sogbereiche adressieren.

Tatsächlich sind die Ergebnisse in der instationären Simulation von RWIND wesentlich besser. Sowohl Niveauverteilung als auch punktuelle Werte zeigen eine gute Übereinstimmung mit den Windkanalversuchen. Eine vergleichende Bewertung mit ANSYS wäre aber unsinnig, schließlich liegt dort ein stationäres Modell vor.

Für die Rückseite, also einen weiteren Sogbereich, sind die Unterschiede noch größer. Während ANSYS und die Versuche eine gute Übereinstimmung zeigen, errechnet RWIND deutlich geringere Cp-Werte und streut diese auch betragsmäßig höher als die anderen beiden Bilder. Eine instationäre Rechnung liefert auch hier wesentlich bessere, mit ANSYS vergleichbare Ergebnisse, war aber nicht Gegenstand dieses Vergleichs.

Die Erkenntnisse aus den Vergleichen der Falschfarbenbilder der Längsanströmungen treffen auch für die Queranströmung zu. Die Vergleichsbilder der seitlichen Anströmung sind nachfolgend dargestellt, wegen Dopplungen aber nicht näher beschrieben.