Computational Fluid Dynamics

Ziel
Mit CFD-Analysen werden Strömungsvorgänge um einen Körper für unterschiedlichste Anwendungen simuliert, wie u.a. im Fahrzeug- und Flugzeugbau. So kann beispielsweise die Aerodynamik von Karosserien mit vergleichsweise geringen Kosten am Rechner simuliert werden.

Voraussetzungen
Um eine CFD-Simulation zu betreiben, sollten grundlegende Kenntnisse über die Strömungslehre wie z. B. die Kontinuitätsgleichung, Energiegleichung und Navier-Stokes-Bewegungsgleichungen beim Anwender vorhanden sein.

Erklärung
Computer Fluid Dynamics (CFD) umfasst die rechnerunterstützte Strömungsdynamik bzw. numerische Strömungsmechanik. Strömungen können anhand partieller Differentialgleichungen beschrieben werden. So werden für Zielwerte numerische Näherungslösungen ermittelt, indem die Berechnungen bzw. Gleichungen auf einzelne endliche Elemente bezogen werden (Diskretisierung). Rechnergestützt kann so eine Vielzahl dieser komplexen Gleichungen vorgenommen werden. Hierfür bieten sich CAD-Programme mit entsprechenden Modulen oder spezielle CAE-Programme für Simulationen an. 

Vorgehen
Preprocessing - Ein zu betrachtendes Problem muss zunächst in ein Modell und in einen Fluid-Raum überführt werden, hierbei soll das Problem möglichst detailliert beschrieben sein und dennoch mit minimaler Rechenzeit auskommen. So werden zunächst Fluidraum und Modell mit angemessener Netzgröße in Segmente diskretisiert. Auf Basis dieser Elemente können Berechnungen vorgenommen werden. Zusätzlich werden u.a. Strömungsein- und -auslässe und das strömende Fluid definiert. Weiterhin werden Randbedingungen und Lasten, wie Strömungsgeschwindigkeit, strömungsmechanische Randbedingungen definiert.
Solving - Letztendlich muss sich für die Diskretisierungsmethode entschieden werden. Je nach Anwendungsfall wird ein bestimmte Methode Berechnung genutzt, wie beispielsweise die Finite-Volumen-Methode (FVM) oder FDM-Finite Differenzen-Methode (FDM).
Postprocessing - Hier erfolgt eine Plausibilitätsprüfung und die Auswertung der Lösung. Hier werden die Ergebnisse letztendlich visualisiert und die strömungsmechanischen Eigenschaften der Modelle analysiert.

Grenzen und Alternativen
Wie bei allen rechnergestützten Simulationen, gilt es darauf zu achten, dass nur Näherungslösungen erhalten werden können, deren Genauigkeit letztlich an die verfügbaren Rechenkapazitäten gebunden ist. Trotz technischer Möglichkeiten sind nutzbare CFD-Simulationen meist sehr zeitaufwändig und benötigen ein tiefes Verständnis in der Funktionsweise des Simulationsprogramms, weshalb im Vornherein geprüft werden muss, ob die erzielbaren Ergebnisse für die Produktentwicklung lohnenswert sind. Alternativ oder auch zusätzlich können Tests im Windkanal zur Verifizierung unternommen werden.

weiterführende Literatur
Vajna S., Weber C., Zeman K., Hehenberger P., Gerhard D., Wartzack S. (2018) Weitere ausgewählte Modellierungstechniken und Anwendungen. In: CAx für Ingenieure. Springer Vieweg, Berlin, Heidelberg
Ferziger, Joel H.; Perić, Milovan (2008) Einführung in numerische Berechnungsverfahren. In: Numerische Strömungsmechanik. Springer, Berlin, Heidelberg
Chakraborty S. (2008) Finite Volume and Finite Difference Methods for Modeling and Simulation. In: Li D. (eds) Encyclopedia of Microfluidics and Nanofluidics. Springer, Boston, MA

 

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