Strömungsmechanik

Was ist Strömungsmechanik?

Die Strömungsmechanik ist ein Bereich der Physik und Ingenieurwissenschaften, der sich mit dem Verhalten von Fluiden (Flüssigkeiten und Gasen) befasst, wenn sie sich bewegen oder ruhen. Sie untersucht die grundlegenden Prinzipien, die die Strömung von Fluiden in verschiedenen Umgebungen und unter verschiedenen Bedingungen beeinflussen. Die Strömungsmechanik spielt eine wichtige Rolle in vielen Bereichen, darunter Ingenieurwissenschaften, Umweltwissenschaften, Luft- und Raumfahrt, Medizin, Energieerzeugung und mehr.

Bestandteile der Strömungsmechanik

Die Strömungsmechanik beschäftigt sich mit verschiedenen Aspekten der Fluidbewegung, darunter:

Stromlinien und Strömungsmuster: Sie analysiert die Strömungsmuster von Fluiden, wie z.B. laminare und turbulente Strömungen, Wirbelbildung und -interaktionen sowie andere komplexe Muster.

Druck- und Geschwindigkeitsverteilung: Sie untersucht, wie Druck und Geschwindigkeit in einem Fluid variieren und wie diese Eigenschaften von Geometrie, Geschwindigkeit und anderen Faktoren beeinflusst werden.

Widerstand und Auftrieb: Die Strömungsmechanik erklärt die Kräfte, die auf Körper wirken, wenn sie sich durch ein Fluid bewegen. Der Widerstand ist die Kraft, die die Bewegung verlangsamt, während der Auftrieb die aufwärts gerichtete Kraft ist, die einen Körper in einem Fluid trägt.

Strömungsinstabilitäten: Sie untersucht, wie und warum Flüssigkeiten oder Gase instabil werden und sich in komplexen Mustern oder Turbulenzen bewegen können.

Wärmeübertragung: Die Strömungsmechanik berücksichtigt den Transport von Wärme in einem Fluid, sei es durch Konvektion oder andere Mechanismen.

Mehrphasenströmungen: Sie betrachtet die Bewegung von verschiedenen Phasen (Feststoffe, Flüssigkeiten, Gase) innerhalb eines Systems, wie es z.B. in schäumenden Flüssigkeiten oder in Sprays auftritt.

Die Strömungsmechanik kann analytisch, experimentell oder numerisch (durch Simulationen) untersucht werden. Mathematische Gleichungen wie die Navier-Stokes-Gleichungen bilden die Grundlage für die theoretische Analyse von Strömungsphänomenen. Experimentelle Methoden verwenden Laborausrüstung, um reale Strömungsphänomene zu untersuchen. Numerische Methoden, wie die numerische Strömungssimulation (CFD), nutzen Computermodelle, um das Verhalten von Fluiden in verschiedenen Umgebungen virtuell zu simulieren.

Was ist numerische Strömungsmechanik?

Die numerische Strömungsmechanik (englisch: Computational Fluid Dynamics, CFD) ist ein Zweig der Strömungsmechanik, der sich mit der Anwendung von numerischen Methoden und Computersimulationen beschäftigt, um das Verhalten von Fluiden (Flüssigkeiten und Gase) in verschiedenen Umgebungen zu analysieren und vorherzusagen. Die numerische Strömungsmechanik nutzt mathematische Modelle und Computer-Algorithmen, um die Bewegung, Geschwindigkeit, Druckverteilung, Temperaturverteilung und andere Eigenschaften von Fluidströmungen zu simulieren.

Bestandteile der numerischen Strömungsmechanik

Die numerische Strömungsmechanik umfasst folgende Aspekte:

Diskretisierung der Gleichungen: Die grundlegenden Gleichungen der Strömungsmechanik, wie die Navier-Stokes-Gleichungen, werden in diskrete Formen umgewandelt, um sie auf einem diskreten Gitter (Mesh) zu lösen. Diese Gleichungen beschreiben den Zusammenhang zwischen Geschwindigkeit, Druck und anderen Parametern in einem Fluid.

Numerische Lösung: Die diskretisierten Gleichungen werden auf dem Gitter unter Verwendung von numerischen Methoden wie der Finite-Volumen-Methode oder der Finite-Elemente-Methode gelöst. Diese Methoden approximieren die Differentialgleichungen durch algebraische Gleichungen, die auf einem Computer gelöst werden können.

Gittergenerierung: Die Erzeugung des numerischen Gitters ist ein wichtiger Schritt. Das Gitter teilt den Simulationsraum in kleine Kontrollvolumen oder Zellen auf, auf denen die Gleichungen gelöst werden. Die Qualität und Feinheit des Gitters beeinflussen die Genauigkeit der Simulation.

Randbedingungen: Die Bedingungen an den Rändern des Gitters werden festgelegt, um das Verhalten der Strömung zu beeinflussen. Dies können Eintrittsgeschwindigkeiten, Druckprofile oder andere Parameter sein.

Zeitschrittintegration: Wenn die Strömung instationär ist (über die Zeit hinweg variiert), werden die Gleichungen in kleinen Zeitschritten gelöst, um die zeitliche Entwicklung der Strömung zu verfolgen.

Postprocessing und Visualisierung: Die Ergebnisse der Simulation werden analysiert und visualisiert. Das können Geschwindigkeitsprofile, Druckverteilungen, Wirbelstrukturen und andere Parameter sein.

Die numerische Strömungsmechanik wird in vielen Branchen eingesetzt, um Produkte zu optimieren, Designentscheidungen zu treffen, Effizienz zu verbessern, Sicherheit zu gewährleisten und mehr. Sie ermöglicht die Untersuchung komplexer Strömungsphänomene, die analytisch oder experimentell oft schwer zu erfassen wären.

WAS IST CFD-SOFTWARE?

CFD-Software bezeichnet eine spezielle Form von Computersoftware, die gezielt entwickelt wurde, um numerische Strömungssimulationen (CFD-Simulationen) durchzuführen. Diese Software ermöglicht Ingenieuren, Wissenschaftlern und Forschern die Analyse, Vorhersage und Visualisierung komplexer Strömungsphänomene in verschiedenen Anwendungsbereichen. Die CFD-Software stellt Instrumente zur Modellierung und Simulation von Fluidströmungen zur Verfügung, indem sie numerische Methoden und Algorithmen einsetzt. Im Folgenden finden Sie einige der Merkmale und Eigenschaften von CFD-Software:

Geometriemodellierung: CFD-Software gestattet die Erstellung und Anpassung von geometrischen Modellen von Komponenten, Systemen oder Umgebungen, in denen Strömung auftritt. Diese Modelle dienen als Grundlage für die Simulation.

Netzgenerierung (Gittergenerierung): Die Software erzeugt entweder automatisch oder manuell ein numerisches Gitter (Mesh), das den Simulationsraum in kleine Kontrollvolumen oder Zellen aufteilt. Die Qualität und Dichte des Gitters beeinflussen die Genauigkeit der Simulationsergebnisse.

Solver: In der Software sind Algorithmen enthalten, um die Navier-Stokes-Gleichungen und andere relevante Gleichungen der Strömungsmechanik numerisch zu lösen. Verschiedene Lösungsansätze wie die Finite-Volumen-Methode oder die Finite-Elemente-Methode werden in den CFD-Solvern implementiert.

Randbedingungen: Benutzer können die Randbedingungen definieren, die die Strömung beeinflussen, wie Eintrittsgeschwindigkeiten, Druckprofile und Temperaturprofile. Diese Randbedingungen werden in die Simulation integriert.

Postprocessing und Visualisierung: Die CFD-Software ermöglicht die Analyse und Visualisierung der Simulationsergebnisse. Hierzu gehören die Erstellung von Diagrammen, Plots, Animationen und farblichen Darstellungen von Strömungsparametern.

Validierung und Vergleich mit experimentellen Daten: Einige CFD-Software bietet die Möglichkeit, die Simulationsergebnisse mit experimentellen Daten zu vergleichen, um die Genauigkeit der verwendeten Modelle zu überprüfen.

Breites Anwendungsspektrum: CFD-Software wird in verschiedenen Industriezweigen genutzt, darunter Luft- und Raumfahrt, Automobilbau, Energieerzeugung, Umweltwissenschaften, Medizin und mehr.

Simulation komplexer Strömungsphänomene: CFD-Software kann turbulente Strömungen, Wärmeübertragung, chemische Reaktionen, Mehrphasenströmungen und andere komplexe Phänomene simulieren.

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.

Einsatzbereiche der Strömungsmechanik

Die Strömungsmechanik findet in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen Anwendung, da sie uns ein besseres Verständnis für das Verhalten von Fluiden in unterschiedlichen Umgebungen vermittelt. Hier sind einige der Hauptanwendungsbereiche der Strömungsmechanik:

Luft- und Raumfahrtindustrie: Strömungsmechanik wird verwendet, um die Aerodynamik von Flugzeugen, Hubschraubern und Raumfahrzeugen zu analysieren und zu optimieren. Dies hilft bei der Verbesserung der Effizienz, Stabilität und Sicherheit von Flugzeugen.

Automobilindustrie: In der Automobilbranche wird die Strömungsmechanik genutzt, um die Aerodynamik von Fahrzeugen zu optimieren, den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren und den Fahrkomfort zu verbessern.

Energieerzeugung: Strömungsmechanik wird verwendet, um die Effizienz von Energieerzeugungssystemen wie Windkraftanlagen, Wasserkraftwerken und thermischen Kraftwerken zu steigern. Sie hilft bei der Gestaltung effizienter Turbinen und Kühlsysteme.

Umweltwissenschaften: Strömungsmechanik hilft bei der Vorhersage der Ausbreitung von Schadstoffen, Abwässern oder Schwebstoffen in Gewässern und der Atmosphäre. Dadurch können Umweltauswirkungen besser verstanden und minimiert werden.

Bauwesen: Die Strömungsmechanik ermöglicht die Analyse der Windlasten auf Gebäuden, Brücken und anderen Bauwerken. Dadurch können sicherere und widerstandsfähigere Strukturen entwickelt werden.

Medizin: Strömungsmechanik wird genutzt, um die Strömung von Blut in Arterien und Venen zu analysieren, Herzklappenfunktionen zu verstehen und die Auswirkungen von medizinischen Implantaten zu bewerten.

Chemie- und Pharmaindustrie: In der Chemie- und Pharmaproduktion kann die Strömungsmechanik zur Optimierung von Mischprozessen, Reaktordesigns und zur Verbesserung von Produktionsprozessen verwendet werden.

Aerospace Engineering: In der Luft- und Raumfahrttechnik wird die Strömungsmechanik eingesetzt, um Raketen- und Raumfahrzeugdesigns zu optimieren, den Wiedereintritt in die Atmosphäre zu simulieren und thermische Belastungen zu analysieren.

Sportindustrie: Strömungsmechanik kann genutzt werden, um die Aerodynamik von Sportgeräten wie Fahrrädern, Skiausrüstung und Rennfahrzeugen zu verbessern.

Lebensmittelindustrie: Die Strömungsmechanik wird in der Lebensmittelverarbeitung verwendet, um den Wärme- und Stofftransport bei der Kühlung, Erhitzung und Mischung von Lebensmitteln zu optimieren.

Diese Beispiele verdeutlichen, wie breit das Anwendungsspektrum der Strömungsmechanik ist und wie sie dazu beiträgt, technische Lösungen zu entwickeln, die effizienter, sicherer und umweltfreundlicher sind.