CFD

Mittels der numerischen Strömungssimulation (CFD: Computational Fluid Dynamics) lässt sich eine Vielzahl von technischen Prozessen in den verschiedensten Industriezweigen detailliert untersuchen und anschaulich visualisieren.

Nach unserem Handlungsprinzip "sehen. verstehen. umsetzen." bietet die numerische Strömungssimulation somit die Möglichkeit "Messgrößen" zu gewinnen, wie sie zum heutigen Stand der Technik kein anderes System in vergleichbarer Form liefern kann. Selbst kritischste Prozesse mit hohem Sicherheitsrisiko oder z.B. irreversible Schadensfälle können auf diese Weise tiefgreifend untersucht werden.

Nutzen auch Sie die gravierenden Vorteile , die sich durch unseren Einsatz von High End-Softwarelösungen und hauseigenen Programmierstrukturen ergeben!

Was ist eine numerische Strömungssimulation?

Die numerische Strömungssimulation / numerische Strömungsmechanik hat das Ziel, reale 2D- und 3D-Strömungen mittels mathematischer Modelle nachzubilden. Erreicht wird dieses durch den Einsatz von Algorithmen numerischer Berechnungsmethoden, mit deren Hilfe die strömungsbeschreibenden nichtlinearen Differentialgleichungen 2. Ordnung gelöst werden.

Gerne informieren wir Sie persönlich über weitere Details und das große Anwendungsspektrum.

Berechenbare physikalische Modelle / Effekte:

  • chemische Reaktionen, Verbrennungsprozesse
  • Erosion (Werkstoffabtrag)
  • dynamische Systeme (moving-deforming mesh)
  • FSI: Fluid-structure interaction (Interaktion CFD-FEM)
  • Freistrom
  • freie Oberflächen
  • inkompressible und kompressible Strömung
  • Kavitation
  • Körperdurchströmungen, -umströmungen
  • Konzentration, Konzentrationsverteilung
  • laminare und turbulente Strömung
  • Mehrphasenströmung mit Phasenübergang
  • Mischvorgänge
  • Nicht-Newtonsche Fluide (z.B. Blut)
  • Partikelbahnen (Particle Tracking)
  • Porosität, poröse Medien
  • rotierende Systeme wie Ventilatoren, Mixer (frozen Rotor, sliding Mesh)
  • stationäre und instationäre (transiente, zeitabhängige) Strömung
  • Stofftransport, Partikelbahnen (Particle Tracking)
  • Stromlinien
  • Unterschall-, Überschallströmungen
  • Wärmetransport: Wärmeleitung, Wärmestrahlung, Konvektion (frei und erzwungen)
  • zeitabhängige Randbedingungen (Zeitfunktionen, tabellarisch oder manuell am Fluidmodell)

Darstellungsvariablen (berechenbare Größen)

  • Druck (Absolutdruck, statischer Druck, Totaldruck, Druckgradienten (Druckverteilungen), Druckverluste)
  • Geschwindigkeit (Geschwindigkeit, Geschwindigkeitsgradienten (Geschwindigkeitsverteilungen)
  • Dichte
  • Dynamische Viskosität
  • Konzentrationen
  • Massen-, Volumenstrom
  • Temperatur, Totale Temperatur, Temperaturgradienten (Temperaturverteilungen)
  • Wärme (Wärmedurchgangskoeffizient, Wärmeleitfähigkeit, Wärmestrom, spezifische Wärmekapazität, Wärmeausdehnung)
  • Statische Enthalpie
  • Statische Entropie
  • Partikel (Partikelbahn, -größe, -massenstrom, -durschnittstemperatur)
  • Verschleiß, Abtrag (Erosion)
  • Kräfte (Auftrieb, Kraft allg.)
  • Wandschubspannung
  • etc.

Visualisierungsmöglichkeiten des numerischen Ergebnisses:

  • Einzelne Punkte (Punktuelle Berechnungsgrößen)
  • Linien (Stromlinien)
  • Flächen (einzelne Oberflächen, Oberflächen als Gruppe, freidefinierbare Schnittflächen und Konturen)
  • Isoflächen (Flächen gleicher Werte)
  • Isovolumen (Volumen gleicher Werte)
  • Vektoren
  • Partikelbahnverfolgung (Particle Tracking)
  • Animationen (zeitliche Abfolgen)

  • Datenreihen
  • Tabellen (auch Auswertung Integraler Kennzahlen wie Antriebsleistung, Wirkungsgrad, etc.)
  • Diagramme, Kennlinien

Beispielhafter Ablauf einer Strömungssimulation:

Nachfolgend soll der umfassende Ablauf einer Strömungssimulation in kurzer Form dargestellt werden.

Geometrieerzeugung:
Die Grundlage jeder numerischen Strömungssimulation ist eine CAD-Geometrie des zu simulierenden Kontrollraumes. In der Regel können Ihre CAD-Daten für die Erstellung eines Simulationsmodells verwendet werden. Sie lassen sich entweder direkt weiterverarbeiten oder können über allgemeine Dateiformate wie *x_t, *.iges oder *.stp eingelesen werden. Sollten keine 3D-Daten des zu untersuchenden Strömungsraumes vorhanden sein, so werden diese auf Grundlage technischer Zeichnungen mittels CAD-Software von uns erzeugt. In vielen Fällen unterziehen wir die Ausgangsgeometrie einer Überarbeitung, so dass Geometrietoleranzen überprüft und nicht prozess-/strömungsrelevante Details entfernt werden. Anschließend werden die eigentlichen Strömungsräume als Negativ-Modell der Blechkonstruktion abgeleitet.

Vernetzung (Diskretisierung):
Vor Beginn einer Strömungsberechnung wird der Strömungsraum des Bauteils mit einem 3-dimensionalen Rechennetz ausgefüllt (diskretisiert). Hierfür können je nach Anwendungsfall Hexaeder-, Tetraeder-, Prismen- oder Pyramidenelemente definiert werden. Für die jeweiligen Zellpunkte werden bei der späteren Berechnung die Strömungsgrößen, wie Geschwindigkeit, Druck, Temperatur, etc. berechnet. Die Elementart und Feinheit der Vernetzung wird von uns entsprechend den Anforderungen der Aufgabenstellung individuell angepasst.

Festlegung der Randbedingungen:
Für Öffnungen des Strömungsraums werden z.B. Strömungsgeschwindigkeiten und -temperaturen festgelegt, mit denen die Fluide ein- oder ausströmen. Je genauer die Randbedingungen in die Simulation aufgenommen werden können, desto genauer kann die Strömung abgebildet werden. Abhängig von dem Rechenmodell werden verschiedene weitere Randbedingungen wie z.B. Turbulenzintensitäten, Emissionsgrade von Festkörperflächen oder die genauen Zusammensetzungen von mehrkomponentigen Gemischen benötigt.

Festlegung der mathematischen Modelle:
Je nach zu berechnendem Prozess sind die mathematischen Modelle zu fixieren.
So ist z.B. bei Wärmeuntersuchungen die Differentialgleichung zur Energieerhaltung zu berücksichtigen. Weiterhin ist ein geeignetes Turbulenzmodell zu definieren. Zudem kann die numerische Berechnung sowohl stationär als auch transient (zeitabhängig) durchgeführt werden. Die stationäre Lösung zeigt den Endzustand des Prozesses auf, wobei bei transienter Berechnung zeitliche Abläufe darstellbar sind.

Ergebnisdarstellung:
Am Ende der Simulation wird softwareseitig eine Ergebnisdatei geschrieben. Für alle in der Geometrie enthaltenen Bilanzknoten werden die Strömungsgrößen wie Geschwindigkeiten, Temperaturen, Drücke, etc. ausgegeben. Diese können bei der Ergebnisauswertung in Form von Ebenen, Strömungsvektoren, Stromlinien, Partikelbahnen, etc. oder auch Diagrammen und Tabellen dargestellt werden. Die quantitative Ergebnisdarstellung erfolgt zumeist über Farbverläufe, die ein tiefgehendes Prozessverständnis fördern.

Validierung:
Durchgeführte Strömungsanalysen erfordern insbesondere in neuen Berechnungsfeldern eine stichprobenartige Überprüfung mittels experimenteller, analytischer oder anderweitiger numerischer Messdaten. Oftmals liegen messtechnische Daten aus Voruntersuchungen oder der Prozessüberwachung bereits in ausreichendem Maße vor.

Ergebnisübergabe und Bericht:
Während der Projektlaufzeit übermitteln wir Ihnen Zwischenberichte, um Sie fortlaufend über den aktuellen Stand zu informieren. Am Ende des Projektes fassen wir alle wesentlichen Ergebnisse in einem Abschlussbericht zusammen und präsentieren diese.