CFD

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Version vom 16. Mai 2012, 12:25 Uhr

engl: computational fluid dynamics          Kategorie: Level 2 Fluiddynamik Theorie

Allgemeine Informationen hierzu finden Sie zum Beispiel bei wikipedia:Strömungsmechanik

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. 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. Rotierende Maschinen, Verbrennung und chemische Reaktionen werden simuliert. 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.

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

• das Zerstäuben von Flüssigkeit bei einem Tintenstrahldrucker,
• das Verteilen von Saat- oder Düngerstoffen in der Landwirtschaft,
• die Optimierung von Kraftwerksturbinen,
• die Auslegung von Verdichtern, Hydraulik- und Pneumatik-Maschinen, Pumpen, Wärmetauschern..

Grundlagen

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

• die Massenerhaltung,
• die Impulserhaltung und
• die Energieerhaltung

des betrachteten Mediums.

Simulation

Übliche Methoden zur Strömungsanalyse sind die Finite-Elemente-Methode und Finite Volumen.

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.

Grenzbereiche zu festen Bauteilen und Wandungen

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.

Andere Begriffe

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.