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Mit einer Strömungsanalyse (CFD, computational fluid dynamics) kann für ein strömendes Medium unter anderem Größen wie
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Allgemeine Informationen hierzu finden Sie zum Beispiel bei [http://de.wikipedia.org/wiki/http://de.wikipedia.org/wiki/Numerische_Str%C3%B6mungsmechanik wikipedia:Strömungsmechanik]
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Eine Strömungsanalyse beinhaltet meistens die Simulation des [[Temperaturfeld]]es. Dabei müssen außer den Temperaturen im Medium auch diejenigen der angrenzenden Wandung simuliert werden, die direkt miteinander in Beziehung stehen.
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Mit einer Simulation der <b>Fluiddynamik oder Strömungsmechanik (CFD, computational fluid dynamics)</b> kann für ein strömendes Medium unter anderem Größen wie der Druckabfall, die Geschwindigkeitsverteilung, der Massenstrom, die Wärmeübertragung, Strömungskräfte und Partikelverhalten untersucht werden. Rotierende Maschinen, Verbrennung und chemische Reaktionen werden simuliert.
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Übliche Methoden zur Strömungsanalyse sind die [[Finite-Element-Methode]] und [[Finite_Volumen|Finite Volumen]].
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Übliche Methoden zur Strömungsanalyse sind die [[Finite-Elemente-Methode]] und [[Finite_Volumen|Finite Volumen]]. Dabei wird die [[Euler-Diskretisierung]] verwendet, bei der das Simulationsgebiet in kleine raumfest angeordnete Zellen aufgeteilt wird. Die Bewegung des strömenden Mediums wird in diesen raumfesten Zellen als Bilanz der einströmenden, der ausströmenden und der in der Zelle verbleibenden Menge abgebildet (anschaulich: jede Zelle bleibt an Ort und Stelle und beobachtet, was an den Seiten herein- und herausfließt).
Bei der Anwendung der [[FEM]] ist bei der [[Diskretisierung]] auf eine ausreichende Netzdichte in den maßgebenden Bereichen zu achten. Solche maßgebenden Bereiche sind zum Beispiel Wandungen (Grenzschicht), Ecken des Strömungskanals (Gradienten). Hierzu finden Sie [[CFD-Netzdichte|hier Anhaltspunkte für eine angemessene Netzdichte]].  
Bei der Anwendung der [[FEM]] ist bei der [[Diskretisierung]] auf eine ausreichende Netzdichte in den maßgebenden Bereichen zu achten. Solche maßgebenden Bereiche sind zum Beispiel Wandungen (Grenzschicht), Ecken des Strömungskanals (Gradienten). Hierzu finden Sie [[CFD-Netzdichte|hier Anhaltspunkte für eine angemessene Netzdichte]].  
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Eine Interaktion zwischen der Strömungsanalyse und dem [[Strukturmechanik|mechanischen Verhalten]] der Wandung wird als [[Fluid-Struktur-Interaktion|Fluid-Struktur-Interaktion]]
Eine Interaktion zwischen der Strömungsanalyse und dem [[Strukturmechanik|mechanischen Verhalten]] der Wandung wird als [[Fluid-Struktur-Interaktion|Fluid-Struktur-Interaktion]]
([[FSI|FSI]]) bezeichnet. Eine solche Interaktion liegt zum Beispiel vor bei einem Flugzeug-Tragflügel, der durch die Druckverteilung der Luft verformt wird, dadurch den Verlauf der Strömung verändert und in der Luft zu einer anderen Druckverteilung führt. Dazu zählen auch Flattern oder Galloping.
([[FSI|FSI]]) bezeichnet. Eine solche Interaktion liegt zum Beispiel vor bei einem Flugzeug-Tragflügel, der durch die Druckverteilung der Luft verformt wird, dadurch den Verlauf der Strömung verändert und in der Luft zu einer anderen Druckverteilung führt. Dazu zählen auch Flattern oder Galloping.
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===Grenzbereiche zu festen Bauteilen und Wandungen, Turbulenz (turbulence)===
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Eine wichtige Möglichkeit ist die Simulation der Turbulenz an der Grenze des Mediums zur umschließenden Wandung ([[Wandreibung]]). Sie wird in vielen industriellen Anwendungen nicht detailliert simuliert, sondern durch pauschale Annahmen in Turbulenzmodellen zeitlich und örtlich gemittelt. Ebenso wird Kavitation über Kavitationsmodelle in der Simulation abgebildet, um z.B. die mögliche Schädigung von Schiffsschrauben oder Turbinenschaufeln vor dem Auftreten des Schadens zu erkennen.
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===Temperaturfeld===
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Eine Strömungsanalyse beinhaltet meistens die Simulation des [[Temperaturfeld]]es. Dabei müssen außer den Temperaturen im Medium auch diejenigen der angrenzenden Wandung simuliert werden, die direkt miteinander in Beziehung stehen. Der Wärmeaustausch zwischen dem Fluid und der Wandung kann simuliert werden mit einem Modell, das das strömende (oder stehende) Medium und das angrenzende Bauteil umfasst. Hierbei wird die CFD-Simulation für den Medium-Bereich und eine [[Temperaturfeld]]-Simulation für das feste Bauteil durchgeführt. Die Bedingungen im Medium in der Grenzschicht nahe der Wandung werden über die Eigenschaften des Fluids simuliert und berechnet.
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Eine solche CFD-Berechnung hat den Vorteil, dass das Medium-Verhalten physikalisch genau simuliert wird. Nachteile ergeben sich dadurch, dass der numerische Aufwand für die [[Lösung]] hoch ist und die Methoden der CFD-Simulation für die feste Wandung nur bedingt geeignet sind.
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===Stofftransport und chemisch reagierende Stoffe===
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Für Mehrstoffströmungen (z.B. Öl-Wasser- oder Luft-Wasser-Gemische) oder Mehrphasenströmungen (mit den damit verbundenen Effekten von Verdampfen, Kondensation, freien Oberflächen, Tröpfchen, Blasen) gibt es Lösungsmethoden.
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===Mehrphasenströmungen===
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===Fest-flüssig-Phasenübergänge, Schmelzen und Erstarren===
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===Poröse Medien===
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==Anwendungsbereiche der CFD-Simulation==
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Anwendungsbereiche liegen in allen Disziplinen der modernen Technik vor, zum Beispiel
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* das Zerstäuben von Flüssigkeit bei einem Tintenstrahldrucker,
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* das Verteilen von Saat- oder Düngerstoffen in der Landwirtschaft,
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* die Optimierung von Kraftwerksturbinen,
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* die Auslegung von Verdichtern, Hydraulik- und Pneumatik-Maschinen, Pumpen, Wärmetauschern
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und darüber hinaus zum Beispiel
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* Prozesstechnik: Ein- und Ausströmung, Ventile, Mischbehälter
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* Architektur, Bauingenieurwesen: Klima, Lüftung, Umströmung
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* Gesundheit, Sicherheit: Ausbreitung von Rauch, Brand, Brandfolgen
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* Motorenbau: Verbrennungsprozesse
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* Fahrzeugbau: Umströmung und Luftwiderstand von Fahrzeugen
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* Umwelttechnik: Schadstoffausbreitung in Luft, in Wasser
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* Energietechnik: Verbrennungsprozesse, Umströmung bei Windkraftanlagen
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* Medizin: Blutströmung in gesunden oder beschädigten Gefäßen, Risiko von Aneurysmen
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* Medizintechnik: Strömung in künstlichen Organen
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==Sonstige Begriffe==
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[[Category:Level 2]]  [[Category:Theorie]]  [[Category:Fluiddynamik]] [[Category:Alle]]
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Aktuelle Version vom 6. November 2016, 22:50 Uhr

engl: computational fluid dynamics          Kategorie: Aa-leerbild.jpg Level 2 Fluiddynamik Theorie


Allgemeine Informationen hierzu finden Sie zum Beispiel bei wikipedia:Strömungsmechanik

Inhaltsverzeichnis

Simulation

Mit einer Simulation der Fluiddynamik oder Strömungsmechanik (CFD, computational fluid dynamics) kann für ein strömendes Medium unter anderem Größen wie der Druckabfall, die Geschwindigkeitsverteilung, der Massenstrom, die Wärmeübertragung, Strömungskräfte und Partikelverhalten untersucht werden. Rotierende Maschinen, Verbrennung und chemische Reaktionen werden simuliert.

Grundlagen

Die Differentialgleichungen, die der Strömungsanalyse (CFD) zugrunde liegen, sind die Navier-Stokes-Gleichungen. Sie beschreiben

des betrachteten Mediums.

Simulationsmethoden

Übliche Methoden zur Strömungsanalyse sind die Finite-Elemente-Methode und Finite Volumen. Dabei wird die Euler-Diskretisierung verwendet, bei der das Simulationsgebiet in kleine raumfest angeordnete Zellen aufgeteilt wird. Die Bewegung des strömenden Mediums wird in diesen raumfesten Zellen als Bilanz der einströmenden, der ausströmenden und der in der Zelle verbleibenden Menge abgebildet (anschaulich: jede Zelle bleibt an Ort und Stelle und beobachtet, was an den Seiten herein- und herausfließt).

Bei der Anwendung der FEM ist bei der Diskretisierung auf eine ausreichende Netzdichte in den maßgebenden Bereichen zu achten. Solche maßgebenden Bereiche sind zum Beispiel Wandungen (Grenzschicht), Ecken des Strömungskanals (Gradienten). Hierzu finden Sie hier Anhaltspunkte für eine angemessene Netzdichte.


In Bearbeitung! Vorläufiger Text:


Besondere Anforderungen an die CFD-Simulation

Inkompressible Strömungen

In Bearbeitung!

Potentialströmung

In Bearbeitung!

Isentrope Strömungen

In Bearbeitung!

Strömungen mit bewegten Rändern (flow in moving zones)

Eine Interaktion zwischen der Strömungsanalyse und dem mechanischen Verhalten der Wandung wird als Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) bezeichnet. Eine solche Interaktion liegt zum Beispiel vor bei einem Flugzeug-Tragflügel, der durch die Druckverteilung der Luft verformt wird, dadurch den Verlauf der Strömung verändert und in der Luft zu einer anderen Druckverteilung führt. Dazu zählen auch Flattern oder Galloping.

Grenzbereiche zu festen Bauteilen und Wandungen, Turbulenz (turbulence)

In Bearbeitung! Eine wichtige Möglichkeit ist die Simulation der Turbulenz an der Grenze des Mediums zur umschließenden Wandung (Wandreibung). Sie wird in vielen industriellen Anwendungen nicht detailliert simuliert, sondern durch pauschale Annahmen in Turbulenzmodellen zeitlich und örtlich gemittelt. Ebenso wird Kavitation über Kavitationsmodelle in der Simulation abgebildet, um z.B. die mögliche Schädigung von Schiffsschrauben oder Turbinenschaufeln vor dem Auftreten des Schadens zu erkennen.

Temperaturfeld

Eine Strömungsanalyse beinhaltet meistens die Simulation des Temperaturfeldes. Dabei müssen außer den Temperaturen im Medium auch diejenigen der angrenzenden Wandung simuliert werden, die direkt miteinander in Beziehung stehen. Der Wärmeaustausch zwischen dem Fluid und der Wandung kann simuliert werden mit einem Modell, das das strömende (oder stehende) Medium und das angrenzende Bauteil umfasst. Hierbei wird die CFD-Simulation für den Medium-Bereich und eine Temperaturfeld-Simulation für das feste Bauteil durchgeführt. Die Bedingungen im Medium in der Grenzschicht nahe der Wandung werden über die Eigenschaften des Fluids simuliert und berechnet.

Eine solche CFD-Berechnung hat den Vorteil, dass das Medium-Verhalten physikalisch genau simuliert wird. Nachteile ergeben sich dadurch, dass der numerische Aufwand für die Lösung hoch ist und die Methoden der CFD-Simulation für die feste Wandung nur bedingt geeignet sind.

Stofftransport und chemisch reagierende Stoffe

In Bearbeitung!

Für Mehrstoffströmungen (z.B. Öl-Wasser- oder Luft-Wasser-Gemische) oder Mehrphasenströmungen (mit den damit verbundenen Effekten von Verdampfen, Kondensation, freien Oberflächen, Tröpfchen, Blasen) gibt es Lösungsmethoden.

Mehrphasenströmungen

In Bearbeitung!

Fest-flüssig-Phasenübergänge, Schmelzen und Erstarren

In Bearbeitung!

Poröse Medien

In Bearbeitung!

Anwendungsbereiche der CFD-Simulation

Anwendungsbereiche liegen in allen Disziplinen der modernen Technik vor, zum Beispiel

und darüber hinaus zum Beispiel

Sonstige Begriffe

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