Numerische Strömungsmechanik.

Die numerische Strömungsberechnung wird heutzutage in allen Ingenieurs- und Forschungsbereichen eingesetzt in denen Fluidströmungen analysiert werden müssen. Im Ingenieurswesen wird vor allem das Strömungsprofil des Fluids untersucht, um bereits in der Designphase mögliche Designfehler zu beheben und Optimierungen durchzuführen.

Andere Einsatzgebiete der Strömungssimulation (CFD) sind beispielsweise die Berechnung der Vermischung verschiedener Spezies in einem Reaktor oder in einer Strömung, die Analyse der Temperaturverteilung in Wärmeübertrager oder die Spannungsberechnung in Festkörpern. Das Einsatzgebiet der numerischen Simulation ist unbegrenzt.

Einer der wichtigsten Vorteile der numerischen Simulation ist die Darstellung von physikalischen Größen im gesamten 3D Modell. Hingegegen werden bei Messungen nur lokale Größen bestimmt. Dieser Aspektpunkt ist vor allem dann von Interesse, wenn die Strömungsgrößen nicht messtechnisch erfassbar sind wie beispielsweise das Strömungs- und Temperaturprofil bei Erstarrungsvorgängen oder die Verbrennungsprozesse in einer Brennkammer.

Die numerische Simulation wird nicht nur zur Optimierung eingesetzt, sondern auch von Ingenieuren und Wissenschaftlern dazu verwendet die  physikalischen Effekte besser zu verstehen und dadruch Neuansätze für Entwicklungen zu generieren.

In der Königsdisziplin (Strömungsberechnungen) können zudem Optimierer eingesetzt werden. Multidimensionale Abhängigkeiten können damit schnell und zuverlässig analysiert und zugleich lokale oder globale Extrempunkte einer willkürlich definierten Antwortfunktion bestimmt werden.

Die numerische Strömungsanalyse findet in immer mehr Ingenieursbereichen Einzug. Jedoch ist diese Technologie heutzutage immer noch zu selten eingesetzes Verfahren zur Designüberprüfung (sowohl in mittelständischen als auch in großen Unternehmen). 

Die numerische Strömungsberechnung kann in allen erdenklichen Ingenieurs- und Forschungsthemen vorgefunden werden. Einige Beispiele aus der Industrie und Forschung sind:

  • Anlagenbau (DeNOx Systeme, Fluidströmungen, Reaktoren)
  • Schallanalyse (Schalldämpfer - Strömungsführung + Schallkopplung)
  • Chemieindustrie & Verfahrenstechnik (Verbrennung, Katalyse)
  • Medizin, Pharmazie und Biologie (Reinräume, Gefäßanalyse)
  • Gebäudetechnik (Komfort und Behaglichkeitsberechnung)
  • Prozessindustrie (Gießerei, Metallbearbeitung)

Darstellung der Strömungsgrößen.

Während der numerischen Berechnung können die erhaltenen Daten individuell gespeichert werden. Die physikalischen Größen werden anschließend im Post-Processing genau analyisiert. Daraus können neue Erkenntnisse gewonnen werden. Die Auswertung kann an jeder belieben 3D Position erfolgen. Daraus ergibt sich die Möglichkeit nicht-messbare Größen darzustellen und physikalische Zusammenhänge  fundiert zu verstehen.

Die Auswertemöglichkeiten sind hierbei fast unbegrenzt. Die Darstellung des Strömungsprofils kann beispielsweise durch das berechnete Geschwindigkeitsprofil mittels Vektoren oder Strömungslinien visualisiert werden. Druck- und Schallwellen können mit definierte Hüllkurven zeitlich abgebildet (Analog den  Höhenlinien im Gelände) und Temperaturprofile durch 3D Schnitte an den Interessierenden Örtlichkeiten bestimmt werden.

Das obenstehende Video zeigt die Visualisierung einer bewegten Wassersäule. Zusätzlich wurde das Geschwindigkeitsfeld beider Fluide (Wasser & Luft) dargestellt.

Validierung der Ergebnisse.

Numerisch Simulationen beruhen auf verschiedenen Annahmen, Modellen und Vereinfachungen, die im Regelfall für neue Themenstellungen vallidiert und verifiziert werden müssen. Dadurch wird sichergestellt, dass die numerisch erhaltenen Werte verlässlich, korrekt und belastbar sind. Die Validierung ist vor allem dann notwendig, wenn neue Modelle entwickelt und in eine Software integriert werden. 

Validierte Ergebnisse sind stets belastbar und geben Sicherheit bei der numerischen Berechnung. Langjährige Erfahrung im Bereich der CFD Analyse hilft bei der Betrachtung der numerischen Daten.

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