Das Simulationsprogramm Femlab

• Eigenschaften:
• flexibles Programm zur Simulation partieller Differentialgleichungen (PDEs)
• Hersteller Comsol (deutsche Vertretung)
• basiert auf Matlab von The MathWorks Inc. (deutsche Vertretung)
• verwendet FEM zur Lösung
• viele vordefinierte PDEs für verschiedene Anwendungsbereiche
• erlaubt Definition eigener PDEs
• fertige Turbulenzmodelle im Chemical Engineering Module
• Vorgehensweise:
  • Definition der Geometrie (Draw Mode)
  • Festlegen der Randbedingungen (Boundary Mode)
  • Eingabe von Materialkoeffizienten und Anfangsbedingungen (Subdomain Mode)
  • Erzeugen des Gitters (Mesh Mode)
  • Lösen der Gleichungen (Solve Mode)
  • Darstellen der Ergebnisse (Post Mode)
• Starten einer Strömungs-Simulation:
  • Aufruf femlab in Matlab liefert Auswahlfenster
    • Auswahl der Dimension (z.B. 2d)
    • Auswahl der Grundgleichungen (jeweils durch Doppelklick):
         Physics modes → Incompressible Navier-Stokes → Stationary
      
  • graphische Oberfläche von Femlab erscheint
    
• Grundfunktionen der Oberfläche:
  • Toolbar-Leiste mit wichtigen Funktionen
  • Datei-Funktionen
    
  • Cut-and-Paste, Auswahl
    
  • Anzeigebereich (Lupenfunktion)
    
  • Auswahl des Modes
    
  • umfangreiche Online-Hilfe
• Definition der Geometrie (Draw Mode):
  • Zeichenobjekte rasten (normalerweise) an Gitterpunkten ein
  • dazu Achsen und Gitter wählen
    • Options → Axis/Grid Settings
    • xmin/xmax/ymin/ymax: dargesteller Bereich
    • X/Y spacing: Abstände der Gitterlinien
    • Extra X/Y: zusätzliche Gitterlinien
  • Werkzeugleiste links
       
    • Einfügen eines Objekts (Rechteck, Kreis, Linie,...)
    • Verändern eines Objekts (Verschieben, Drehen, Skalieren)
    • Zusammenfassen von Objekten (Vereinigung, Durchschnitt, ...)
  • wesentlich umfangreicher und komplizierter für 3d-Modelle
• Festlegen der Randbedingungen (Boundary-Mode):
  • Eingabe unter
    • Boundary → Boundary Settings...
      
  • jeweils für jeden Randabschnitt
  • wichtigste Möglichkeiten
    • Werte für u und v (Einlass)
    • Werte für p (Auslass)
    • u = v = 0 (Wand)
• Eingabe von Materialkoeffizienten und Anfangsbedingungen (Subdomain-Mode):
  • Eingabe unter
    • Subdomain → Subdomain Settings...
      
  • Werte für
    • Druck
    • Viskosität
    • äußere Kräfte
  • auf Blatt "Init" Anfangsbedingungen für zeitabhängige Probleme bzw. Startwerte der Iterationen festlegen
• Erzeugen des Gitters (Mesh-Mode):
  • Toolbar-Funktionen
    
    • einfaches Startgitter
    • globale Verfeinerung
    • Verfeinerung von ausgewählten Bereichen
  • Elemente müssen möglichst gleichseitig sein
  • Ausgleichen des Gitters nach lokalen Verfeinerungen
    • Mesh → Jiggle Mesh
• Lösen der Gleichungen (Solve-Mode):
  • zahllose Parameter zur Kontrolle des Solvers ()
    
  • besonders wichtig für Navier-Stokes-Gleichungen
    • "Streamline Diffusion" an
    • "Highly Nonlinear Problem" auf Blatt "Nonlinear" anklicken
  • Starten des Solvers ()
• Darstellen der Ergebnisse (Post-Mode):
  • viele verschiedene Darstellungstypen
  • Auswahl der darzustellenden Größen und Darstellungstypen mit Plot-Parametern ()
  • z.B. Surface-Plot
    
    • darzustellende Größe als Farbcode
    • ggf. weitere Größe als Höhe
    • Beispiel: Geschwindigkeit als Farbcode, Druck als Höhe