CFD-Simulation – Computational Fluid Dynamics

Was ist eine CFD-Simulation?

Die CFD-Simulation (Computational Fluid Dynamics, dt: Numerische Strömungsmechanik) ist eine computergestützte numerische Methode zur Analyse und Vorhersage von Strömungsverhalten und -phänomenen in Fluiden (Gase oder Flüssigkeiten). Sie wird in den Ingenieurwissenschaften und der Wissenschaft eingesetzt, um das Verhalten von Fluiden in komplexen Geometrien und unter verschiedenen Bedingungen zu untersuchen.

Wie funktioniert CFD-Simulation?

Die CFD-Simulation verwendet die Prinzipien der Kontinuumsmechanik und numerischen Methoden, um die Navier-Stokes-Gleichungen und andere Transportgleichungen, die die Strömungsphänomene beschreiben, numerisch zu lösen. Das zu analysierende Gebiet wird in ein Gitter oder Netzwerk von kleinen diskreten Zellen unterteilt. In diesen Zellen werden die Gleichungen gelöst, um das Strömungsverhalten an jedem Punkt im Gebiet zu berechnen.

Wie ist der Ablauf einer Strömungssimulation?

Der Ablauf einer Strömungssimulation kann je nach Komplexität des zu untersuchenden Problems variieren. Hier ist ein grundlegender Ablauf, der für viele CFD-Simulationen typisch ist:

Problemdefinition und Modellierung

• Klare Definition des zu simulierenden Problems, wie z. B. Strömung um ein bestimmtes Objekt, in einem bestimmten Kanal oder durch eine Anlage.

• Erstellung eines geometrischen Modells des zu simulierenden Gebiets mit CAD-Software. Dieses Modell wird in das CFD-Simulationsprogramm importiert.

Vorbereitung des Gitternetzes

• Erstellung eines Gitternetzes oder Netzwerks von kleinen diskreten Zellen, die das Gebiet abdecken.

• Die Qualität des Gitternetzes hat einen erheblichen Einfluss auf die Genauigkeit und Effizienz der Simulation. Ein feines Gitter kann zu einer genaueren Lösung führen, erfordert jedoch mehr Rechenressourcen.

Wahl der physikalischen Modelle und Gleichungen

• Auswahl der geeigneten mathematischen Gleichungen und Modelle, die das Strömungsverhalten im betrachteten Szenario beschreiben. Dies umfasst in der Regel die Navier-Stokes-Gleichungen, Turbulenzmodelle und gegebenenfalls thermische Gleichungen.

Festlegung der Randbedingungen

• Definition von Randbedingungen, die das Strömungsverhalten an den Grenzen des Gebiets beeinflussen. Dies umfasst Einlassbedingungen, Auslassbedingungen, Wände, freie Oberflächen und andere Grenzbedingungen.

Numerische Lösung

• Numerische Lösung der Gleichungen für jeden Zeitschritt im vorgegebenen Simulationszeitraum.

• Iterative Lösungsschleifen werden durchgeführt, bis die Lösung konvergiert, das heißt, bis sich die Strömungsvariablen nicht mehr wesentlich ändern.

Postprocessing und Analyse

• Auswertung und Visualisierung der Ergebnisse nach Abschluss der Simulation.

• Darstellung von Geschwindigkeitsvektoren, Druckverteilungen, Temperaturkonturen und anderen strömungsbezogenen Informationen.

• Analyse der Simulationsergebnisse, um wichtige Strömungsmerkmale, Wirbelbildung, Druckverluste, Wärmeverteilung und andere relevante Parameter zu verstehen.

Validierung

• Überprüfung der Genauigkeit der Simulationsergebnisse durch Vergleich mit experimentellen Daten oder anderen validierten Modellen, um die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Simulation zu gewährleisten.

Interpretation und Berichterstattung

• Interpretation der Ergebnisse und Schlussfolgerungen für das betrachtete Strömungsproblem.

• Erstellung eines Berichts mit detaillierten Beschreibungen des Modells, der Simulationseinstellungen, der Ergebnisse und der Interpretationen.

Der Ablauf einer Strömungssimulation erfordert eine gründliche Planung, um sicherzustellen, dass das richtige Modell, die Gittergröße und die numerischen Einstellungen ausgewählt werden, um zuverlässige und aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten. Fortgeschrittene CFD-Simulationen können zusätzliche Schritte beinhalten, wie z. B. Mehrphasenströmung, chemische Reaktionen oder Strömung-Struktur-Interaktion (FSI).

Anwendungsbereiche der CFD-Simulation

Aerodynamik: Analyse des Luftströmungsverhaltens um Flugzeuge, Fahrzeuge oder Gebäude, um den Luftwiderstand, Auftrieb und andere aerodynamische Eigenschaften zu verstehen.

Strömungsmechanik: Untersuchung des Verhaltens von Flüssigkeiten in Rohrleitungen, Pumpen, Ventilen und anderen Komponenten.

Wärmeübertragung: Analyse des Wärmetransports und der Temperaturverteilung in thermischen Systemen wie Kühlsystemen, Heizungen und Klimaanlagen.

Verbrennung: Untersuchung des Verbrennungsverhaltens in Verbrennungsmotoren oder industriellen Brennern.

Turbomaschinen: Analyse des Strömungsverhaltens in Turbinen und Kompressoren.

Umweltsimulation: Untersuchung von Luft- und Wasserströmungen, um Umweltauswirkungen zu analysieren, wie zum Beispiel die Ausbreitung von Schadstoffen oder Abwässern.

Was sind die Vorteile einer CFD-Simulation?

Die CFD-Simulation bietet viele Vorteile, darunter:

Virtuelle Tests: CFD-Simulationen ermöglichen es Ingenieuren, das Strömungsverhalten virtuell zu testen und verschiedene Szenarien zu analysieren, ohne physische Prototypen erstellen zu müssen.

Effizienz: CFD ermöglicht es, die Leistung von Produkten und Systemen zu verbessern, indem das Design optimiert und ineffiziente Aspekte identifiziert werden.

Kosteneinsparungen: Durch die Verwendung von CFD-Simulationen können Entwicklungs- und Testkosten reduziert werden, da teure experimentelle Tests reduziert werden können.

Frühzeitige Fehlererkennung: CFD-Simulationen helfen, potenzielle Probleme und ineffiziente Designaspekte frühzeitig zu erkennen und zu beheben.

Was macht eine CFD-Software?

Eine CFD-Simulation-Software ist eine spezielle Software, die es Ingenieuren und Wissenschaftlern ermöglicht, Strömungsverhalten und Strömungsphänomene in komplexen Systemen numerisch zu analysieren. Diese Software führt Simulationen basierend auf den Grundprinzipien der Kontinuumsmechanik und numerischen Methoden durch, um das Verhalten von Fluiden (Gase oder Flüssigkeiten) zu modellieren.

Die Hauptaufgaben einer CFD-Software

Diskretisierung des Gebiets: Die Software erstellt ein Gitternetz oder ein Netzwerk von kleinen diskreten Zellen, die das zu untersuchende Gebiet abdecken. Die Qualität des Gitternetzes kann die Genauigkeit und Effizienz der Simulation beeinflussen.

Numerische Lösung der Gleichungen: Die Software löst die Navier-Stokes-Gleichungen und gegebenenfalls andere Transportgleichungen, die das Strömungsverhalten beschreiben. Dabei werden numerische Methoden wie das Finite-Volumen-Verfahren oder das Finite-Elemente-Verfahren angewendet, um die Gleichungen für jedes Element im Gitter zu approximieren und zu lösen.

Randbedingungen und Anfangsbedingungen: Die Software erlaubt die Definition der Randbedingungen an den Grenzen des Gebiets sowie der Anfangsbedingungen zu Beginn der Simulation. Diese Rand- und Anfangsbedingungen beeinflussen das Verhalten der Strömung und sind entscheidend für die Genauigkeit der Ergebnisse.

Zeitschritt und Iteration: Die Software führt die Simulation in kleinen Zeitschritten durch und löst die Gleichungen iterativ für jeden Zeitschritt. Die Iteration wird wiederholt, bis die Lösung konvergiert, das heißt, bis sich die Strömungsvariablen nicht mehr wesentlich ändern.

Postprocessing und Visualisierung: Die Software ermöglicht die Auswertung und Visualisierung der Ergebnisse nach Abschluss der Simulation. Sie stellt die Ergebnisse in verschiedenen Darstellungsformen dar, wie Geschwindigkeitsvektoren, Druckverteilungen, Temperaturkonturen und anderen strömungsbezogenen Informationen.

Benutzerfreundlichkeit: Moderne CFD-Software ist in der Regel benutzerfreundlich und bietet eine grafische Benutzeroberfläche, die die Modellierung, Einstellung der Simulation, Durchführung der Berechnungen und Analyse der Ergebnisse erleichtert.

Validierung und Verifikation: Die Software ermöglicht die Überprüfung der Genauigkeit der Ergebnisse durch Vergleich mit experimentellen Daten oder anderen validierten Modellen.

Erweiterte Funktionen: Fortgeschrittene CFD-Software kann zusätzliche Funktionen bieten, wie Mehrphasenströmung, Turbulenzmodelle, chemische Reaktionen oder Strömung-Struktur-Interaktion (FSI).

CFD-Software von Bechtle PLM

SOLIDWORKS Flow Simulation

SOLIDWORKS Flow Simulation ist eine intuitiv zu handhabende Lösung für numerische Strömungsmechanik (CFD), die in SOLIDWORKS 3D CAD eingebettet ist und mit der Sie schnell und einfach Flüssigkeits- und Gasströmungen in Ihren Konstruktionen simulieren und somit die Leistungsfähigkeit berechnen können.

3DEXPERIENCE Works Computational Fluid Dynamics

3DEXPERIENCE Works Simulation bietet Ihnen eine robuste und intuitive Fluid Flow-Lösung, um effizient den Fluidfluss und die thermische Leistung von Produkten untersuchen können, indem sie Computational Fluid Dynamics (CFD) zur Beschleunigung von Produktinnovationen verwenden.

XFlow

Die hochmoderne Technologie von XFlow ermöglicht komplexe CFD-Workflows mit hochfrequenten transienten Simulationen mit realen bewegten Geometrien, komplexen Mehrphasenströmungen, freie Oberflächenströmungen und Fluid-Struktur-Interaktionen.

CFD-Simulation und CAD

Die Verbindung von CFD-Simulation und CAD (wie z.B. SOLIDWORKS 3D CAD) ermöglicht es, die geometrischen Modelle und Eigenschaften von Produkten oder Strukturen aus CAD-Software in CFD-Simulationssoftware zu importieren. Dies erlaubt es, die Strömungsbedingungen in komplexen Geometrien zu analysieren und das Verhalten von Fluiden virtuell zu untersuchen. Die Ergebnisse der CFD-Simulation können dann wiederum in die CAD-Modelle zurückgeführt werden, um das Design entsprechend zu optimieren oder anzupassen.

Die Integration von CFD-Simulation und CAD ermöglicht eine effiziente und iterative Gestaltung und Optimierung von Produkten und Systemen, indem das Strömungsverhalten frühzeitig in den Entwicklungsprozess einbezogen wird. Es trägt zu einer verbesserten Leistung, Sicherheit und Effizienz von Produkten und Anlagen bei.

Fazit

Insgesamt ermöglicht die CFD-Simulation Ingenieuren und Wissenschaftlern, das Verhalten von Fluiden in komplexen Systemen zu verstehen und zu optimieren, was zu verbesserten Produkten, höherer Effizienz und besserer Leistung führt.