CFD Simulation

Die Strömungssimulation mithilfe der numerischen Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) bietet eine Möglichkeit der detailgetreuen und effizienten Analyse von Fluidströmungen ganz unterschiedlicher Natur und ist mittlerweile ein elementarer Bestandteil einer virtuellen Produktentwicklung für eine Vielzahl an industriellen Anwendungen. Die mithilfe der Simulationen gewonnen Einblicke und Erkenntnisse tragen dabei ganz wesentlich zu einer Beschleunigung der Entwicklung bei, gleichzeitig reduzieren sich Entwicklungskosten durch den gezielteren Einsatz von oftmals aufwändigen Prototypen und Versuchen. Bei Tplus Engineering kommen modernste Simulations-Software verschiedener Hersteller auf unseren eigenen Hochleistungsrechnern mit mehreren hundert Cores zum Einsatz. Strömungssimulationen erlauben Einblicke in die Druck- und Geschwindigkeitsverhältnisse. Es können so beispielsweise die Strömungsverteilung analysiert oder Drurckverluste identifiziert und bewertet werden. Ziel der Analysen ist neben einem tieferen Verständnis der physikalischen Prozesse oft die Ableitung von konstruktiven Maßnahmen und Veränderungen, um Verbesserungen zu erreichen. Die Simulationen können dabei eingesetzt werden, verschiedene Varianten zu untersuchen um bieten somit ein sehr mächtiges und effizientes Werkzeug in der modernen Produktentwicklung. Die Simulation von Wärmeübertragung umfasst die physikalischen Mechanismen der freien und erzwungenen Konvektion sowie der Wärmeleitung. Je nach Anwendung dominieren einzelnen Effekte oder sie treten gemeinsam auf. Mithilfe konjugierter Simulationen (Conjugate Heat Transfer, CHT) können Strömung, Wärmeübergang zwischen Fluid und Festkörpern sowie die Wärmeleitung in den Bauteilen in einer kombinierten Simulation betrachtet werden. Die Simulationen geben Einblick in Strömungs- und Temperaturverteilungen und lassen somit Rückschlüsse zu, wie beispielsweise eine Kühlung verbessert und gleichzeitig der Druckverlust minimiert werden können. In vielen Anwendungen sind Bauteile und Komponenten nicht statisch sondern bewegen sich translatorisch, rotatorisch oder kombiniert. In CFD-Simulationen gibt es hierfür eine Vielzahl an Möglichkeiten, derartige Bewegungen abzubilden. Einfach Ansätze prägen lediglich die wirkenden Kräfte auf, bei aufwändigeren Methoden mit bewegten Rechengittern können die tatsächlichen Körperbewegungen in den Simulationen dargestellt werden. Dabei können Objekte auch passiv auf wirkende Kräfte reagieren wie bspw. schwimmende Körper mit 6-DOF-Bewegung. In partikelbeladenen Strömungen werden zusätzlich zur kontinuierlichen Fluid-Phase der Trägerströmung die Bewegungen einer dispersen Phase beliebiger Form und Zusammensetzung abgebildet. Dies ermöglicht den Zugang zu einer Vielzahl an technischen Anwendungen. Die Partikel können dabei passiv oder aktiv sein und mit der Strömung interagieren oder gar reagieren. Darüber hinaus können Partikel-Partikel oder Partikel-Wand Interaktionen modelliert werden sowie der Übergang der Partikel in andere Regime durch entsprechenden Massen – und Wärmetransfer. Bei der Simulation von Gemischen stehen verschiedene Ansätze zur Berücksichtigung der unterschiedlichen Phasen sowie deren Phasengrenzen zur Verfügung. Strömungen mit freien Oberfläche werden üblicherweise mit der Volume-of-Fluid (VOF) Methode berechnet, während hochdynamische Prozesse mit der Euler-Euler-Methode abgebildet werden. In beiden Fällen können Wärme- und Massentransfer berücksichtigt werden sowie weitere Detailmodelle für die einzelnen Phasen oder die Phaseninteraktion. Darüber hinaus können Mehrphasensimulationen auch sehr effektiv mit Partikelströmungen kombiniert werden. Die Simulation von Verbrennungsprozessen erfolgt unter Berücksichtigung der chemischen Reaktionskinetik. Ausgangspunkt sind ja nach Anwendung kontinuierliche oder partikelbeladene