Strömungssimulation

Was ist eine Strömungssimulation?

Eine Strömungssimulation ist ein Verfahren in der Strömungsmechanik, das Computersimulationen nutzt, um das Verhalten von Fluiden (Flüssigkeiten oder Gase) in verschiedenen Umgebungen oder unter verschiedenen Bedingungen zu analysieren. Ziel einer Strömungssimulation ist es, die Strömungsmuster, Geschwindigkeiten, Drücke und andere charakteristische Eigenschaften eines Fluids in einem bestimmten System vorherzusagen oder zu visualisieren.

Die Simulation basiert auf den Grundgleichungen der Strömungsmechanik, wie den Navier-Stokes-Gleichungen, die die Bewegung von Fluiden beschreiben. Diese Gleichungen sind in der Regel komplex und oft analytisch nicht lösbar, es sei denn, es handelt sich um sehr einfache Geometrien oder Randbedingungen. Daher werden numerische Methoden wie die Finite-Volumen-Methode oder die Finite-Elemente-Methode verwendet, um die Gleichungen diskret zu approximieren und auf einem Computer zu lösen.

Was ist eine numerische Strömungssimulation?

Eine numerische Strömungssimulation (englisch: Computational Fluid Dynamics, CFD) ist eine Methode zur Analyse und Vorhersage von Fluidströmungen mithilfe von Computersimulationen. Bei der numerischen Strömungssimulation werden die grundlegenden physikalischen Gleichungen, die das Verhalten von Fluiden beschreiben, in diskrete Formen umgewandelt, um sie auf einem Computer zu lösen. Dies ermöglicht die Simulation komplexer Strömungsphänomene in realen oder idealisierten Umgebungen.

Die CFD-Strömungssimulation beinhaltet in der Regel folgende Schritte:

Geometriemodellierung: Die geometrische Form des Systems oder der Komponente, in dem die Strömung analysiert werden soll, wird in einem Computermodell erstellt. Dies kann ein komplettes Fahrzeug, ein Gebäude, ein Flugzeugflügel, ein Turbinenrotor oder eine beliebige andere Form sein.

Netzgenerierung (Gittergenerierung): Das geometrische Modell wird in ein Netz von Gitterpunkten oder Zellen umgewandelt. Dieses Gitter bildet die Grundlage für die numerische Approximation der Strömungsgleichungen. Die Qualität und Feinheit des Gitters beeinflusst die Genauigkeit und Effizienz der Simulation.

Diskretisierung der Gleichungen: Die Navier-Stokes-Gleichungen und andere relevante physikalische Gleichungen werden in diskrete Formen umgewandelt. Dies erfolgt in der Regel durch Verwendung von numerischen Methoden wie der Finite-Volumen-Methode, der Finite-Elemente-Methode oder der Finite-Differenzen-Methode.

Lösung der Gleichungen: Die diskretisierten Gleichungen werden auf dem numerischen Gitter gelöst, um die Strömungsvariablen wie Geschwindigkeit, Druck und Temperatur über Raum und Zeit zu berechnen. Dies erfordert leistungsstarke Computerressourcen, da viele Berechnungen durchgeführt werden müssen.

Postprocessing und Visualisierung: Die Ergebnisse der Simulation werden analysiert und visualisiert. Dies kann die Erstellung von Geschwindigkeitsprofilen, Druckverteilungen, Temperaturverläufen und anderen Parametern umfassen. Visualisierungen helfen, die Strömungsphänomene besser zu verstehen.

Numerische Strömungssimulationen bieten die Möglichkeit, komplexe Strömungsphänomene in verschiedenen Anwendungen vorherzusagen und zu analysieren. Sie werden in vielen Branchen eingesetzt, um Produkte zu optimieren, Designs zu validieren, Effizienz zu verbessern und sicherheitsrelevante Aspekte zu berücksichtigen. Allerdings erfordern solche Simulationen sorgfältige Validierung und Kenntnisse der Strömungsmechanik, um genaue und zuverlässige Ergebnisse zu liefern.

Was ist CFD-Software?

CFD-Software ist eine Art von Computersoftware, die speziell für die Durchführung von numerischen Strömungssimulationen (CFD-Simulationen) entwickelt wurde. Diese Software ermöglicht es Ingenieuren, Wissenschaftlern und Forschern, komplexe Strömungsphänomene in verschiedenen Anwendungen zu analysieren, vorherzusagen und zu visualisieren. CFD-Software bietet Werkzeuge zur Modellierung und Simulation von Fluidströmungen unter Verwendung von numerischen Methoden und Algorithmen. Hier sind einige Funktionen und Eigenschaften von CFD-Software:

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

Netzgenerierung (Gittergenerierung): Die Software generiert automatisch oder manuell das numerische Gitter (Mesh), das den Simulationsraum in kleine Kontrollvolumen oder Zellen unterteilt. Die Gitterqualität und -feinheit beeinflussen die Genauigkeit der Simulationsergebnisse.

Solver: Die Software enthält Algorithmen, 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 CFD-Solvern implementiert.

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

Postprocessing und Visualisierung: CFD-Software ermöglicht die Analyse und Visualisierung der Simulationsergebnisse. Dies umfasst die Erstellung von Diagrammen, Plots, Animationen und Farbdarstellungen von Strömungsparametern.

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

Vielfältige Anwendungsbereiche: CFD-Software wird in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt, darunter Luft- und Raumfahrt, Automobilbau, Energieerzeugung, Umweltwissenschaften, Medizin und mehr.

Komplexe 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 Strömungssimulation

Die Strömungssimulation kann in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, wie zum Beispiel:

Ingenieurwesen: Die Simulation von Strömungen ist in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau, in der Bauindustrie und vielen anderen Ingenieurdisziplinen wichtig, um die Leistung von Produkten oder Gebäuden unter verschiedenen Strömungsbedingungen zu bewerten.

Umweltwissenschaften: Strömungssimulationen können dazu verwendet werden, die Ausbreitung von Schadstoffen in Gewässern oder der Atmosphäre vorherzusagen, um Umweltauswirkungen zu bewerten.

Medizin: In der Medizin können Strömungssimulationen dazu beitragen, das Verhalten von Blutflüssen in Gefäßen zu analysieren und medizinische Interventionen zu planen.

Energie: Strömungssimulationen spielen eine wichtige Rolle bei der Optimierung von Windkraftanlagen, Wasserkraftwerken und anderen Energieerzeugungssystemen.

Forschung: In der Wissenschaft können Strömungssimulationen verwendet werden, um grundlegende Forschungsfragen zur Strömungsmechanik zu untersuchen.

Die Ergebnisse von Strömungssimulationen können als Visualisierungen von Geschwindigkeitsfeldern, Druckverteilungen, Wirbelstrukturen und anderen Parametern dargestellt werden. Diese Simulationen helfen Ingenieuren, Wissenschaftlern und Forschern, ein besseres Verständnis für die Strömungsphänomene zu entwickeln und effektivere Lösungen für eine Vielzahl von Anwendungen zu entwickeln.