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STRÖMUNGSSIMULATON 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 Messsystem in vergleichbarer Form liefern kann. Selbst kritischste Prozesse mit hohem Sicherheitsrisiko oder z.B. irreversible Schadensfälle können auf diese Weise tiefgreifend untersucht werden.

Ob „quick and dirty“, um auf die schnellste Art und Weise Ergebnisse zur Einschätzung einer Situation zu erhalten oder ob wissenschaftlich fundiert zur möglichst genauen Realwertannäherung - wir setzen Ihre Anforderungen und Wünsche transparent und kosteneffizient um.

EINSATZGEBIETE

Wir simulieren einfache bis hin zu sehr komplexen Vorgängen. Die Spannweite reicht z. B. von der reinen Rohrströmung zur Bestimmung der Geschwindigkeitsverteilung und des Druckverlusts über Mehrphasen- strömungen mit Phasenwechseln (wie sie z. B. im Armaturenbau auftreten) oder Nicht-Newtonsche Fluide wie Blut oder Zahnpasta, über chemische Reaktionen bei Verbrennungsprozessen, bis hin zu Wärmetransportphänomenen (z. B. zur Kühlung elektronischer Bauteile).

Sie interessieren sich mehr für Feststoffdurchströmungen, z. B. in Katalysatoren, Getreidetrocknern oder für poröse Medien, den Feststofftransport in Fluiden oder den daran gekoppelten Verschleiß infolge Erosion? Vielleicht ist Ihr Anwendungsfall auch eine Kombination der genannten Vorgänge?

Umso entscheidender ist es, für die optimale Lösung einzelne Einflussgrößen sichtbar zu machen.

IHR ZUGEWINN

  • Kosteneffizienz durch verkürzte Entwicklungszeiten und weniger Prototypen
  • Schnellere Marktpräsenz
  • Qualitätssteigerung und –sicherung
  • Tiefgreifendes Prozessverständnis
  • Möglichkeit, physikalische Effekte isoliert zu betrachten
  • Millionenfache „Messdaten“
  • Erfassung von messtechnisch nicht oder schwer erfassbaren Größen
  • Analysen von Schadensereignissen und Prognosen zu Gefahrenzuständen

Berechenbare physikalische 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)
  • uvm.

Darstellungsvariablen (berechenbare Größen)

  • Dichte
  • Druck (Absolutdruck, statischer Druck, Totaldruck, Druckgradienten (Druckverteilungen), Druckverluste)
  • Dynamische Viskosität
  • Geschwindigkeit (Geschwindigkeit, Geschwindigkeitsgradienten (Geschwindigkeitsverteilungen)
  • Konzentrationen
  • Kräfte (Auftrieb, Kraft allg.)
  • Massen-, Volumenstrom
  • Partikel (Partikelbahn, -größe, -massenstrom, -durchschnittstemperatur)
  • Statische Enthalpie
  • Statische Entropie
  • Temperatur, Totale Temperatur, Temperaturgradienten (Temperaturverteilungen)
  • Verschleiß, Abtrag (Erosion)
  • Wandschubspannung
  • Wärme (Wärmedurchgangskoeffizient, Wärmeleitfähigkeit, Wärmestrom, spezifische Wärmekapazität, Wärmeausdehnung)
  • 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 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.
Ist dies nicht der Fall, so verfügen wir über umfassende Messtechnik, um die entsprechenden Daten aufnehmen zu können.

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.