CFD-Simulation: Strömungen sichtbar machen und zuverlässig berechnen.

Das Zitat „Alles fließt“ oder „Alles ist im Fluss“ wird traditionell dem griechischen Philosophen Heraklit von Ephesos zugeschrieben. Der Grundgedanke dahinter drückt den stetigen Wandel, die fortwährende Veränderung aller Dinge. Er hat es aber auf einen strömenden Bereich bezogen: „Man kann nicht zweimal in denselben Fluss steigen“ und bietet sich damit sehr gut als Einstieg für einen Beitrag über Strömungsanalysen an. 

CFD – Computational Fluid Dynamics – ist dabei ein unverzichtbares Hilfsmittel, um strömende Vorgänge in der Natur berechenbar zu machen und darstellen zu können. Die Physik hinter der Strömung ist kompliziert, die Mathematik, um sie zu lösen, auch. Aber die CFD-Simulation macht es einfacher für den Anwender, die Vorgänge zu verstehen.

Wetterkarten als anschauliches Beispiel für CFD-Simulationen.

Wetterkarten kennen wir aus vielen Anwendungen, in verschiedenen Größenordnungen und mit diversen Ergebnisparametern. Mal zeigen sie die Luftdruckgebiete, mal Luftbewegungen, mal Temperaturfelder oder Wolkenfelder als Gebiete unterschiedlicher Konzentrationen von Wasser. All diese Darstellungen sind erweiterte CFD-Simulationen, erweitert z. B. um Wolkenbildungs- oder Bodenwechselwirkungsmodelle, die Corioliskraft oder Niederschlagsstatistiken.

Aber ähnlich wie CFD-Simulationen aus dem technischen Bereich helfen sie, Strömungen sichtbar zu machen und Kennwerte realistisch vorherzusagen. Mit SOLIDWORKS Flow Simulation und der Fluid Dynamics Engineer Rolle auf der 3DEXPERIENCE Plattform stehen Ihnen zwei Tools zur Verfügung, mit denen die CFD-Simulationen intuitiv zu bedienen sind, zuverlässige Ergebnisse liefern und für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungsbereiche eingesetzt werden können.

Komplexe Strömungsgleichungen effizient lösen.

Die grundlegenden Gleichungen der Strömungsanalysen sind die Navier-Stokes-Gleichungen. Ein gekoppeltes nicht-lineares System partieller Differenzialgleichungen zweiter Ordnung benannt nach Claude Louis Marie Henri Navier und George Gabriel Stokes. Dieses Gleichungssystem ist nur für einfache Ausnahmefälle analytisch zu lösen, sodass in der Regel mathematische Näherungsverfahren für Ihre Lösung erforderlich sind.

„Navier-Stokes equations are easy for fluids, difficult for computers, and impossible for humans.“ war lange Zeit eine gepflegte Fachbereichsweisheit. CFD-Simulationen werden aber immer schneller, genauer und einfacher zu bedienen. Gerade SOLIDWORKS Flow Simulation gilt dabei in weiten Kreisen als das Programm, das die Strömungsanalysen für Computer und Anwender immer einfacher und zugänglicher gemacht hat. Es ermöglicht auch Konstrukteur:innen und Designer:innen, erste CFD-Simulationen durchzuführen und die Ergebnisse zu verstehen.

Strömungsbereiche auf Basis der CAD-Daten.

Die CFD-Analysen setzen auf CAD-Modellen auf. CAD-Modelle bilden in der Regel Festkörper ab, sodass der Raum zwischen den Festkörpern von den Fluiden durchströmt werden kann. Die Abgrenzung dieser wesentlichen Bereiche – Strömungsbereiche oder Festkörperbereiche – nimmt das CFD-Tool auf Basis der CAD-Daten vor. Der Anwender kann es verändern, muss es aber nicht.

Eine besondere Situation ergibt sich, wenn auch Festkörper durchströmt werden können. Wärme kann immer durch Festkörper hindurchströmen, aber manchmal können auch Flüssigkeiten, Gase oder Gemische durch Festkörper hindurchströmen, wenn diese Filter, poröse Bereiche oder Ähnliches repräsentieren. Die Möglichkeiten hierzu bieten CFD-Tools wie SOLIDWORKS Flow Simulation oder die Fluid Dynamics Engineer Rolle.

Randbedingungen setzen Strömungsprozesse in Gang.

Jedes System in der Natur strebt einem Gleichgewicht entgegen, einer homogenen Wärme-, Dichte-, Speziesverteilung usw. Anwender:innen stören dieses Gleichgewicht in technischen Geräten, um einen Prozess zu initiieren. In der Natur ergeben sich manchmal Störungen aus Wechselwirkungen mit der Umgebung.

CFD-Tools verwenden Randbedingungen, um die Potenziale an den Rändern des Rechengebietes oder Quellen für einen Energieeintrag im Inneren zu beschreiben. Das können unterschiedliche Druckrandbedingungen sein, die die Dichteverteilung stören, Wärmequellen, die die Temperaturbilanz verändern, oder auch gezielte Einträge oder Absaugungen des strömenden Mediums.

Elektronische Komponenten oder Raumklima als besondere Randbedingungen.

Leistungsstarke CFD-Tools wie SOLIDWORKS Flow Simulation bieten zudem besondere Randbedingungen an, bei denen z. B. der Wärmeeintrag durch einen fließenden elektrischen Strom errechnet wird und damit ggf. auch eine freie Konvektion der Luft erzeugt wird.

Oder sie berücksichtigen Sonneneinstrahlung als externe Randbedingung, Luftfeuchtigkeitseinträge oder andere für die Raumklima- und Gebäudeauslegung relevante externe Randbedingungen.

Vielfältige Ergebnisse für unterschiedliche Anwendungen.

Welche Luftmenge geht bei einem bestimmten Differenzdruck bei welcher Ventilposition hindurch? Wie lange dauert ein Aufheizprozess bei definiertem Wärmeeintrag? Wird ein Behälter in einer vorgegebenen Zeit vollständig geleert? Welche Zwangskühlung ist erforderlich, damit kritische Bauteile eine Grenztemperatur nicht überschreiten? Und wo sind die besten Sensorpositionen dafür? Wie vermischen sich Fluide und welche Verteilung liegt an welcher Stelle vor?

Die Fragen, die Sie mit der CFD-Analyse beantworten wollen, sind sehr vielfältig und stark von dem jeweiligen Anwendungsfall abhängig. CFD-Simulationen wie mit SOLIDWORKS Flow Simulation oder der Fluid Dynamics Engineer Rolle bieten eine sehr große Palette an Ergebnisoptionen an, aus denen Sie die für Ihr Modell passenden Parameter und Darstellungsmöglichkeiten auswählen können.

Sie können sich visuell einen Einblick über das Strömungsfeld erschaffen, mit Stromlinien wie bei einer Windvorhersage. Sie können die Bewegung von Konzentrationsfeldern in Ihrem Rechengebiet verfolgen, wie bei Hochdruckgebieten oder Wolkenfeldern, um noch einmal den Vergleich zur Wettervorhersage zu ziehen. 

Sie können aber auch quantitative Verläufe von Parametern auswerten, um eine Steuerung über Sensoren zu bewerten und zu optimieren. Sie können Wärmebilanzen für Ihr System aufstellen lassen, Verteilungen an bestimmten Oberflächen oder in definierten Bereichen.

Varianten vergleichen und Konstruktionen gezielt optimieren.

Die größte Stärke der CFD-Simulation ist aber der einfache und schnelle Vergleich verschiedener Optionen. Haben Sie verschiedene Varianten Ihres CAD-Modells vorliegen, können Sie diese analysieren und vergleichen. Wenn Sie wissen möchten, bei welcher Ventilstellung der gewünschte Volumenstrom erreicht wird, definieren Sie die Position variabel und lassen Sie das CFD-Tool eine Zielwertoptimierung für Sie durchführen.

Und natürlich können Sie die Ergebnisse der CFD-Analysen auch nutzen, um das Festkörper-Modell zu bewerten oder zu optimieren. Lassen Sie sich die Kräfte ausgeben, die sich aus einer bestimmten Anströmung ergeben, und prüfen Sie, ob die daraus entstehenden Spannungen zu kritisch sind. Oder Sie lassen eine „Fluid-Driven-Designoptimierung“ über ihr Modell laufen, mit der Sie gezielt die Geometrie an die berechneten Strömungen anpassen.

Fazit.

Strömungsanalysen mit SOLIDWORKS Flow Simulation oder der Fluid Dynamics Engineer Rolle auf der 3DEXPERIENCE Plattform helfen Ihnen, die Strömungssituation in Ihrem Modell oder um Ihr Modell herum sichtbar zu machen und zu verstehen. Setzen Sie Simulation so früh wie möglich und idealerweise bei jedem Prozessschritt ein, um ihr Modell gegebenenfalls optimieren zu können, ohne dass daraus große Kosten entstehen.

Sie wollen mehr erfahren über die Möglichkeiten zur Spritzgusssimulation? Dann kontaktieren Sie uns gerne, unsere Expertinnen und Experten helfen Ihnen gerne weiter.