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Simulation für numerische Strömungsmechanik

Strömungssimulationen (CFD) basieren auf der Navier-Stokes-Gleichung, die zur Beschreibung der Bewegung von Fluiden verwendet wird.

Was ist numerische Strömungsmechanik?

Bei einer numerischen Strömungssimulation werden die grundlegenden Gesetze der Mechanik, die Gleichungen der Strömungsmechanik und die Modellierung verwendet, um ein physikalisches Problem mathematisch zu formulieren. Sobald diese formuliert sind, kommen numerische Methoden zum Einsatz, die mittels CFD-Software die Gleichungen lösen, um Näherungslösungen für die beteiligten physikalischen Eigenschaften zu erhalten.

CFD-Simulationen basieren auf der Navier-Stokes-Gleichung, die zur Beschreibung der Bewegung von Fluiden verwendet wird. Die Genauigkeit von CFD-Simulationen hängt von der Detailtreue des Modells, den verwendeten Näherungen und Annahmen, der experimentellen Validierung und den verfügbaren Rechenressourcen ab. Es ist wichtig, die Unsicherheiten und Fehler in der numerischen Strömungssimulation zu charakterisieren, um sie als effektives Werkzeug in Konstruktion und Analyse zu nutzen.

Es gibt drei Hauptmethoden zur Vorhersage des Verhaltens von Fluiden und deren Wechselwirkung mit der Umgebung – experimentell, analytisch und numerisch. Numerische Strömungsmechanik ist das numerische Verfahren zur Simulation stationärer und instationärer Fluidbewegungen mithilfe von rechnergestützten Methoden und Hardware.

Numerische Strömungsmechanik ist eine bewährte Methodik, die häufig eingesetzt wird, um experimentelle und analytische Methoden zu ersetzen oder zu ergänzen und somit die Konstruktion und Analyse alltäglicher Produkte durch den Konstrukteur zu unterstützen.

Verwandte Produkte: Simcenter STAR-CCM+ | Simcenter FLOEFD | Simcenter Flotherm | Simcenter Flotherm XT | Simcenter Battery Design Studio

Screenshot der Multiphysics-Simulationssoftware für numerische Strömungsmechanik.
Darstellung einer Strömungssimulation (CFD) mit der Simcenter STAR-CCM+-Software.

Nutzen Sie CFD-Simulationen disziplinübergreifend

In diesem Lösungsleitfaden erfahren Sie mehr über die Fluid- und Wärmelösungen von Simcenter.

Vorteile erkunden

Die numerische Strömungsmechanik ist eine etablierte Methodik, die häufig als Ersatz oder Ergänzung für experimentelle und analytische Methoden eingesetzt wird, um den Konstruktionsentwurf und die Analyse alltäglicher Produkte zu unterstützen. Im Vergleich zu Prototyping und Experimenten bieten CFD-Simulationen die folgenden Vorteile.

Leistungssteigerung

Die Simulation der numerischen Strömungsmechanik ermöglicht es Ihnen, die technischen Möglichkeiten für eine verbesserte Produktleistung schnell zu analysieren und zu erkunden.

Reduzierung des Zeitaufwands

CFD-Simulation hilft Ihnen, optimierte Produktkonstruktionen schneller auf den Markt zu bringen als eine Build-and-Test-Methode.

Kostensenkung

Durch die Nutzung der numerischen Strömungsmechanik können Sie Ihre Produktentwicklungskosten im Vergleich zu herkömmlichen prototypenbasierten Konstruktionsverfahren erheblich senken.

Schritte des CFD-Simulationsprozesses

Unabhängig von der Software folgen alle numerischen Strömungssimulationen diesen allgemeinen Schritten.

Vernetzung von Darstellungen aus der Simcenter STAR-CCM+ Software.

Preprocessing

Die Vorverarbeitungsphase umfasst die Erstellung der Geometrie und deren Vorbereitung für die CFD-Simulation. In einem Prozess, der als Vernetzung oder Gittererzeugung bezeichnet wird, zerlegt das CFD-Tool den Bereich in kleine Volumina/Zellen. Der Anwender wendet Strömungsbedingungen, Fluideigenschaften und anfängliche Randbedingungen an.

Die CFD-Simulationssoftware beginnt mit der iterativen Berechnung der diskretisierten Gleichungen mit dem CFD-Solver.

Lösung

Die CFD-Simulationssoftware beginnt mit der iterativen Berechnung der diskretisierten Gleichungen mit dem CFD-Solver. Dieser Schritt kann viel Zeit oder Rechenressourcen erfordern. Für komplexe Simulationen nutzen immer mehr Unternehmen Cloud Computing als kosteneffiziente Lösung für dieses Problem.

Darstellung der Vorteile der Ausführung von Simcenter STAR-CCM+ auf GPUs bietet Funktionen für numerische Strömungsmechanik (CFD), um bei der Modellierung der Komplexität schneller zu arbeiten.

Postprocessing

Ist die Lösung abgeschlossen, besteht der nächste Schritt darin, die Ergebnisse der Simulation qualitativ und quantitativ mithilfe von Berichten, Monitoren, Plots, 2D/3D-Bildern und Animationen zu analysieren und zu visualisieren. Die Verifizierung und Validierung der Ergebnisse sind ebenfalls in dieser Phase enthalten.

Multiphysikbasierte numerische Strömungsmechanik

Moderne numerische Strömungsmechanik ist mehr als nur die Fähigkeit, Strömungs- und Wärmeübertragungsverhalten zu simulieren und vorherzusagen. Heute ist CFD in eine multidisziplinäre computergestützte Konstruktionsumgebung (CAE) integriert, die es Konstrukteuren ermöglicht, eine breite Palette an fluidbezogenen Phänomenen zu modellieren, von reagierenden Strömungen bis hin zu Aeroakustik, von Mehrphasenströmungen bis zur Partikeldynamik, von der Kühlung elektronischer Bauteile bis zur Aerodynamik, und diese eng mit der zugehörigen Fluiddynamik zu koppeln. Dies ist von grundlegender Bedeutung in einer Welt immer komplexerer Produkte, die ein ganzheitliches, domänenübergreifendes Engineering erfordern, um maximale Leistung zu erzielen.

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Podcast | Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft der numerischen Strömungsmechanik mit Dr. Simon Fischer.

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