Strömungs- und thermische Simulationen (CFD)

Mit Hilfe numerischer Strömungssimulationen können strömungsmechanische und thermische Prozesse berechnet, optimiert und visualisiert werden.

1. Was sind numerische Strömungssimulationen (CFD)?
2. Welche Vorteile bieten die Simulationen?
3. Welche Inputs werden für die Simulationen benötigt?
4. In welcher Form werden die Ergebnisse berichtet?


1. Was sind numerische Strömungssimulationen (CFD)?

Numerische Strömungssimulationen, CFD (Computational Fluid Dynamics), ermöglichen es, Strömungs- und Wärmeübertragungsprobleme zu berechnen, Erkenntnisse zu den Vorgängen zu gewinnen, und Entwürfe und Prozesse zu optimieren.

Folgende Schritte gehören zum Simulationsprozess:
1.1 Modellieren
1.2 Gleichungen lösen
1.3 Ergebnisse überprüfen
1.4 Validieren

1.1 Modellieren

Modellieren ist die Vereinfachung des reellen Problems auf Basis physikalischer und/oder mathematischer Argumente, um mit vertretbarem Aufwand und in akzeptabler Zeit eine quantitative Beschreibung des reellen Problems zu erzielen.
Kunst des Modellierens ist, das komplexe reelle Problem so zu vereinfachen, dass es wirtschaftlich zu berechnen ist, und dabei das Wesentliche nicht verloren geht.
 

1.2 Gleichungen lösen

Die dreidimensionalen Geometrien der zu untersuchenden Teile, Komponenten, Geräte oder Anlagen werden generiert. Dann wird das Rechengebiet vernetzt. Mit Hilfe der Finite Volumen Verfahren werden die partiellen Differentialgleichungen zu algebraischen umgewandelt, um numerisch berechnet werden zu können.

Die folgenden Gleichungen werden simultan mit Hilfe der Finiten Volumen Methode gelöst:

• Impulsgleichungen in 3-Dimensionen
• Energiegleichung
• Kontinuitätsgleichung
• Turbulenz
• Strahlung

1.3 Ergebnisse überprüfen

Die Ergebnisse werden nach deren Plausibilität überprüft (Geschwindigkeitsvektoren, Temperaturverteilung, Druckverteilung, Gesamtwärmebilanz, Strömungsbilanz). Große Abweichungen von anderen ähnlichen Fällen und/oder zu erwartenden Werten werden genauer unter die Lupe genommen.
 

1.4 Validieren

Die Simulationsergebnisse sollten auf jeden Fall durch Messungen und Tests validiert werden. Die Simulationen und Messungen ergänzen sich, Keines kann das andere ersetzen.

2. Welche Vorteile bieten die Simulationen?


2.1 Technisch

• Gewinnen von Grundverständnis (Ursache und Wirkung)
• Erkennung von wichtigen Parametern
• Parameterstudien schnell und einfach
• Ergebnisse sind für das ganze Rechengebiet vorhanden
• Keine Verzerrung der Ergebnisse durch Messapparatur
• Extreme Bedingungen können auch behandelt werden

2.2 Wirtschaftlich

• Die untersuchten Gegenstände (Entwürfe, Aufbauten, Geräte, Anlagen, Gebäude, …) können in sehr frühen Entwicklungsphase bewertet werden. Basierend auf Simulationsergebnissen, können dann die tatsächlichen Entwicklungs- und Designarbeiten starten. Das verkürzt die Entwicklungszeit, verringert die Musterphasenanzahl und spart Kosten. Am Ende werden nur wenige Validierungsmessungen benötigt.
• Basierend auf Simulationsergebnissen können schon in der Angebotsphase Konzepte erstellt und die Kosten genauer abgeschätzt werden.
• Messungen sind oft nur in sehr späten Entwicklungsphasen möglich. Jedes entdeckte Problem führt dann zu großen Verspätungen und Zusatzkosten.
• Simulationen sind oft schneller und günstiger als Tests und Messungen.

3. Welche Inputs werden für diese Simulationen benötigt?

• Mechanischer Aufbau (CAD-Modelle, Skizzen)
• Verwendete oder vorgesehene Materialien und Stoffeigenschaften
• Definition der Wärmequellen
• Eigenschaften der vorgesehenen Lüfter und Pumpen
• Betriebszustände und Funktionsszenarien
• Randbedingungen

4. In welcher Form werden die Ergebnisse berichtet?

An jedem Gitterpunkt im Rechengebiet werden die Temperaturen, Strömungsgeschwindigkeiten und Druckwerte berechnet.
Die berechneten Werte an den Gitterpunkten können dann als Oberflächenkonturen (z.B. als Temperaturverteilung), Schnittbilder an beliebigen Ebenen, Geschwindigkeitsvektoren, Teilchenbahnen, Wärmefluss oder Volumenstrom dargestellt werden. Darüber hinaus, können die wichtigen und/oder relevanten Werte als Tabellen und Kurven berichtet werden.