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Simulation für numerische Strömungsmechanik

CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) basieren auf der Navier-Stokes-Gleichung, die zur Beschreibung der Bewegung von Flüssigkeiten verwendet wird.

Was ist numerische Strömungsmechanik?

Bei einer numerischen Strömungssimulation werden die grundlegenden Gesetze der Mechanik, die Gleichungen der Strömungsdynamik und die Modellierung verwendet, um ein physikalisches Problem mathematisch zu formulieren. Nach der Formulierung verwenden die Rechenressourcen numerische Methoden, um die Gleichungen mithilfe von CFD-Software zu lösen, um ungefähre Lösungen für die beteiligten physikalischen Eigenschaften zu erhalten.

Numerische Strömungssimulationen basieren auf der Navier-Stokes-Gleichung, die zur Beschreibung der Bewegung von Flüssigkeiten verwendet wird. Die Genauigkeit von CFD-Simulationen hängt von der Genauigkeit 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 für Design und Analyse zu verwenden.

Es gibt drei Hauptmethoden, um das Verhalten von Flüssigkeiten und ihre Wechselwirkung mit der Umgebung vorherzusagen – experimentelle, analytische und numerische. Computational Fluid Dynamics ist die numerische Methode zur Simulation stationärer und instationärer Fluidbewegungen unter Verwendung von Berechnungsmethoden und Hardware.

Computational Fluid Dynamics ist eine etablierte Methodik, die häufig verwendet wird, um experimentelle und analytische Methoden zu ersetzen oder zu ergänzen, um das technische Design und die Analyse alltäglicher Produkte zu unterstützen.

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

Screenshot der Multiphysics-Simulationssoftware für numerische Strömungsmechanik.

Entdecken Sie die Vorteile

Computational Fluid Dynamics ist eine etablierte Methodik, die häufig verwendet wird, um experimentelle und analytische Methoden zu ersetzen oder zu ergänzen, um das technische Design und die Analyse alltäglicher Produkte zu unterstützen. Im Vergleich zu Prototyping und Experimenten bieten CFD-Simulationen folgende Vorteile.

Steigern Sie die Leistung

Die numerische Strömungssimulation ermöglicht es Ihnen, die technischen Möglichkeiten zur Steigerung der Produktleistung schnell zu analysieren und zu erkunden.

Reduzierung des Zeitaufwands

Die CFD-Simulation hilft Ihnen, optimierte Produktdesigns 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 Konstruktionsprozessen erheblich senken.

Schritte im CFD-Simulationsprozess

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

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

Preprocessing

In der Vorverarbeitungsphase wird die Geometrie erstellt und für die CFD-Simulation vorbereitet. In einem Prozess, der als Vernetzung oder Gittergenerierung bezeichnet wird, zerlegt das CFD-Tool die Domäne in kleine Volumina/Zellen. Der Anwender wendet Strömungsbedingungen, Fluideigenschaften und anfängliche Randbedingungen an.

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

Solving

Die CFD-Simulationssoftware beginnt mit der iterativen Lösung der diskretisierten Gleichungen mit dem CFD-Solver. Dieser Schritt kann viel Zeit oder Rechenressourcen in Anspruch nehmen. Für komplexe Simulationen setzen immer mehr Unternehmen auf Cloud Computing als kostengünstige Lösung für dieses Problem.

Die Darstellung der Vorteile der Ausführung von Simcenter STAR-CCM+ auf GPUs bietet CFD-Funktionen (Computational Fluid Dynamics), um die Modellierung der Komplexität zu beschleunigen.

Postprocessing

Ist die Lösung abgeschlossen, geht es im nächsten Schritt darum, die Ergebnisse der Simulation qualitativ und quantitativ anhand von Berichten, Monitoren, Plots, 2D/3D-Bildern und Animationen zu analysieren und zu visualisieren. Die Verifizierung und Validierung der Ergebnisse ist ebenfalls in dieser Phase enthalten.

Multiphysikalische numerische Strömungsmechanik

Moderne numerische Strömungsmechanik ist mehr als nur die Fähigkeit, Strömungs- und Wärmeübertragungsverhalten von Flüssigkeiten zu simulieren und vorherzusagen. Heute ist CFD in eine multidisziplinäre CAE-Umgebung (Computer-Aided Engineering) eingebettet, die es Ingenieuren ermöglicht, ein breites Spektrum strömungsbezogener Physik zu modellieren, von reagierenden Strömungen bis zur Aeroakustik, von Mehrphasenströmungen bis zur Partikeldynamik, von der Elektronikkühlung bis zur Aerodynamik und diese eng mit der verwandten Strömungsdynamik zu koppeln. Dies ist von grundlegender Bedeutung in einer Welt immer komplexer werdender Produkte, die ein ganzheitliches, domänenübergreifendes Engineering erfordern, um maximale Leistung zu erzielen.

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Häufig gestellte Fragen

Die Finite-Elemente-Analyse (FEA) wird seit Jahrzehnten erfolgreich in der Produktentwicklung eingesetzt. Parallel dazu wurden kontinuierlich High-Fidelity-Modellierungsansätze und pragmatischere Ansätze entwickelt, mit denen Sie schneller zu ausreichend genauen Ergebnissen kommen.

Heutzutage können und müssen Ingenieure den Genauigkeitsgrad wählen, der ihren Anforderungen am besten entspricht, um technische Fragen mit minimalem Rechenaufwand zu beantworten. Der Genauigkeitsgrad reicht von High-Fidelity-Modellierungstechniken, die die Vorhersage des realen Verhaltens innerhalb weniger Prozent oder sogar weniger ermöglichen, bis hin zu schnellen Methoden, die schnelle Trendvorhersagen ermöglichen.

Heute sind Zertifizierungs- und Verifizierungsprozesse für FEA-Simulationswerkzeuge gut etabliert. Sie werden ein entscheidender Bestandteil für den Fortschritt der FEA, ihre Zuverlässigkeit und ihr Vertrauen in digitale Zwillinge und ihre Etablierung in neuartigen Bereichen bleiben. Während die prädiktive Simulation den Bedarf an teuren Messungen und Prototypen kontinuierlich reduzieren wird, wird sie weiterhin strenge FE-Methoden und die Validierung von Best Practices durch Experimente erfordern. 

Meshfreie CFD-Methoden bieten für ausgewählte Anwendungen eine attraktive Alternative zu netzbasierten Methoden. Wenn das schnelle Erzielen von Ergebnissen Vorrang vor höchster Genauigkeit hat, ist die geglättete Partikelhydrodynamik (SPH) ein effizientes Werkzeug. Beide Methoden haben jedoch ihre Berechtigung, und je nach den Anforderungen an die Zeit bis zur Lösung im Vergleich zur erforderlichen Genauigkeit kann es von Vorteil sein, einen netzbasierten oder netzlosen Ansatz zu wählen.

Die meisten Strömungen, die uns umgeben und für Produktentwicklungen relevant sind, sind turbulenter Natur. Über Jahrzehnte hinweg haben Wissenschaft und Industrie enge Beziehungen aufgebaut, um Turbulenzbeschreibungen in die Navier-Stokes-Gleichung einfließen zu lassen. Zum Beispiel hängt die Vernetzung des am besten geeigneten Turbulenzmodells für eine bestimmte Anwendung und ein CFD-Projekt stark von der Genauigkeit im Vergleich zu den Anforderungen an die Simulationsgeschwindigkeit ab.

Im Allgemeinen kann die Turbulenzmodellierung in drei Hauptkategorien eingeteilt werden: statistische Modellierung, auch bekannt als Reynolds Average Navier-Stokes (RANS), skalenauflösende Simulation (SRS), wie Large-Eddy-Simulation (LES) oder Detached-Eddy-Simulationen (DES) und schließlich direkte numerische Simulation (DNS), die keine Modellierungsannahmen über Turbulenz trifft.

Das Erlernen von CFD erfordert Zeit, Hingabe, gründliches Studium und Übung. Es ist wichtig, die zugrunde liegende fundamentale Physik der Strömungsdynamik und die Navier-Stokes-Gleichung zu verstehen, numerische Methoden und ihre Grenzen zu verstehen und die praktische Anwendung des eigentlichen Softwaretools für numerische Strömungsmechanik zu üben. Dank der Automatisierung und kontinuierlichen Verbesserung von Benutzeroberflächen in moderner numerischer Strömungsmechanik-Software werden die Hürden für High-Fidelity-CFD auf allen Ebenen weiter sinken, indem sich der Spielraum für die Untersuchung von Ergebnissen und das Treffen simulationsbasierter Entscheidungen verschiebt.  Es ist auch wichtig, die grundlegende Strömungsdynamik zu verstehen, um die Ergebnisse zu beurteilen und sinnvolle technische Entscheidungen auf der Grundlage von CFD-Ergebnissen zu treffen.

Die Wahl der Hardware für ein CFD-Projekt hängt wirklich von Ihrem Projekt, Ihrem Budget und Ihren aktuellen Prioritäten ab. Einige Empfehlungen: x86-CPUs führen schon seit Ewigkeiten Simulationen durch. Jeder Solver wurde ursprünglich für diese Plattform entwickelt und verifiziert. Suchen Sie nach CFD-Hardware mit maximalem Cache – Server, Workstations und Laptops. Grafikprozessoren (GPUs) unterstützen heutzutage viele Solver, und die Software wird sich noch weiter daran anpassen. Diese Lösung ist sehr energieeffizient. Achten Sie darauf, dass Ihre erforderlichen Solver unterstützt werden und die Speicheranforderungen Ihres Anwendungsfalls erfüllen. Auf diese Weise können Sie das Beste aus Multi-GPU-Workstations und GPU-Clustern herausholen. ARM-Prozessoren unterstützen alles außer der grafischen Benutzeroberfläche. Dies ist ein Ansatz für kosteneffizientes Computing, insbesondere bei Cloud-Diensten. Vorausgesetzt, Ihr Simulationstool für die numerische Strömungsmechanik unterstützt die ARM-Technologie. Im Allgemeinen ist die Cloud-basierte CFD-Simulation eine unkomplizierte Lösung. Keine Investition in teure Computerhardware, keine Leerlaufkosten und skalierbar nach Bedarf.

Numerische Strömungssimulationssoftware wird in einer Vielzahl von technischen Anwendungen eingesetzt, wenn es darum geht, die Strömung und Wärmeübertragung von Flüssigkeiten und die daraus resultierenden Auswirkungen auf das Design eines Produkts oder Systems zu verstehen oder vorherzusagen. Im industriellen Produktdesign hat sich die numerische Strömungssimulation zur Simulation des multiphysikalischen Verhaltens in komplexen Geometrien entwickelt, die es Unternehmen ermöglicht, ihr Produktdesign virtuell vollständig zu verstehen und zu optimieren, bevor sie einen Prototyp bauen.

Zu den Branchen, in denen die numerische Strömungssimulation weit verbreitet ist, gehören:

  • Luft- und Raumfahrt
  • Automobilbranche
  • Chemisch
  • Konsumgüterunternehmen
  • Marine (Schiffsdesign, Antriebssysteme und Motorendesign)
  • Elektronik
  • Energie (Kernkraft, Öl & Gas und Stromerzeugung)
  • Haustechnik
  • Biowissenschaften
  • Turbomaschinen
  • Sport
  • Andere allgemeine Anwendungen im Zusammenhang mit Flüssigkeitsströmung und Wärmeübertragung

Zum Video

On-Demand-Webinar | Neudefinition der Kunst des Möglichen in der numerischen Strömungssimulation.

Zuhören

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

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Blogs | Entdecken Sie alle Simcenter-Blogs zum Thema Computational Fluid Dynamics.