Heute beginnen wir mit einer Reihe von Beiträgen zum Thema numerische Strömungssimulation, CFD (Computational Fluid Dynamics), die von einfachen oder einführenden Konzepten, die leicht im Internet zu finden sind, bis hin zu komplexeren Konzepten reichen, die auf den von ICEMM in realen Projekten gewonnenen Erfahrungen basieren.
Für diejenigen, die bisher noch nicht mit dieser Technologie in Berührung gekommen sind: CFD (Computational Fluid Dynamics) ist die Wissenschaft, die sich mit der Vorhersage des Verhaltens von Flüssigkeitsströmungen, Wärme- und Stoffübertragungen sowie Phänomenen im Zusammenhang mit chemischen Reaktionen befasst, …
Was können wir aus CFD-Analysen und -Simulationen gewinnen?
CFD-Simulationen ermöglichen es uns, detaillierte Informationen über alle Eigenschaften zu erhalten, die den Flüssigkeitsstrom ausmachen:
- Verteilung von Geschwindigkeit, Druck, Temperatur, …
- Kräfte, die auf feste Körper (Fahrzeuge, Flugzeuge, Gebäude, …) ausgeübt werden
- Verhalten von Flüssigkeitsgemischen mit anderen Flüssigkeiten oder Feststoffen
- Zusammensetzung des Transports der “Spezies
CFD-Simulationen werden in allen Phasen eines technischen Projekts eingesetzt, das eine genaue Kenntnis des Verhaltens des Fluids erfordert. Sie ergänzen die möglichen Tests, die durchgeführt werden müssen, und ermöglichen folglich Einsparungen bei den Kosten und der Entwicklungszeit.
Wie funktioniert eine CFD-Simulation?
Derzeit gibt es zwei Hauptverfahren, die auf der Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen (NS) und die auf der Gitter-Boltzmann-Methode (LBM) beruhen.
Das erste ist das traditionelle Schema, das auf eine lange Geschichte zurückblicken kann und sich bei einer Vielzahl von fluiddynamischen und thermischen Problemen bewährt hat. Es wird von den wichtigsten CFD-Programmen wie Ansys Fluent, Star CCM+, MSC Cradle oder Acusolve verwendet. Die Navier-Stokes-Gleichungen können auch mit der Finite-Volumen-Methode (Ansys Fluent, Star CCM+ oder MSC Cradle) oder mit der Finite-Elemente-Methode (Acusolve oder Comsol) gelöst werden. Die Vor- und Nachteile der einen und der anderen Methode sind wohlbekannt und werden in späteren Veröffentlichungen erörtert.
Was die Gitter-Boltzmann-Methode betrifft, so ist es wichtig, auf die Vorteile ihrer Anwendung in der Vorverarbeitungsphase hinzuweisen, in der die Erzeugung des Untersuchungsvolumens unabhängig von der Komplexität der Geometrie nahezu automatisch erfolgt, sowie auf die Behandlung von Turbulenzen und instationären Prozessen, insbesondere bei bewegten Geometrien. Die Hauptnachteile dieser Methode sind derzeit der hohe Rechenaufwand, die Unmöglichkeit, stationäre Prozesse effizient zu bewerten, und die fehlende Validierung im Vergleich zu der auf Navier-Stokes basierenden Methode.
Am ICEMM haben wir bisher nur mit der Methode gearbeitet, die auf der Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen beruht, so dass sich alle von nun an veröffentlichten Unterlagen auf diese Methode beziehen werden.
Lösen der Navier-Stokes-Gleichungen
Die Funktionsweise einer CFD-Simulation, die auf der Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen beruht, lässt sich in den folgenden Schritten zusammenfassen:
- Diskretisierung des zu untersuchenden Bereichs in eine endliche Anzahl von Kontrollvolumina oder Zellen.
- Lösen der Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls, Energie, Arten, … in der Menge der Kontrollvolumina
- Diskretisierung der partiellen Ableitungsgleichungen in einem System algebraischer Gleichungen und deren Auflösung
Die Anwendung der oben genannten Schritte bei der Lösung einer CFD-Simulation lässt sich nach folgendem Schema zusammenfassen, das für alle derzeit verwendeten CFD-Programme gilt:
In den nächsten Einträgen werden wir erklären, wie wir das oben beschriebene Schema auf verschiedene Arten von Problemen mit Acusolve und FDS-Software anwenden. Die folgenden Einträge werden im Blog auf unserer Website und im Download-Bereich veröffentlicht:
- Einführung in die CFD-Simulation
- 1_1_Acusolve_Workflow – Grundlegendes Lernprogramm – Interfaz (Acusolve)
- 1_2_Wirbelschleppen – Análisis Transitorio (Acusolve)
- 1_3_Fire_in_Garage – Análisis Multifase (FDS)
- 1_4_Kühlung_Gerät – Analyse mit Grenzschicht (Acusolve)
- 1_5_Backward_Step – Turbulenzanalyse (Acusolve)
- 1_6_Turbulenz_Gitter – Turbulenzanalyse (Acusolve)
- 1_7_Airfoil – Flujo compresible (Acusolve)
- Turbulenzen
- 2_1_Curved_Channel – SST mit Krümmungskorrektur
- 2_2_Diffuser – RANS-Modelle für Turbulenz
- 2_3_Airfoil – Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung
- 2_4_Stable_Pipe – LES und künstliche Turbulenzsimulation
- 2_5_Periodische_Hügel – Hybride RANS-LES-Modelle
- 2_6_Zylinder – Hybride RANS-LES + Übergangseffekte
- 2_7_Bluff_Body – Skalenadaptive Simulation (SAS)
