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Mithilfe der numerischen Strömungsmechanik (engl. Computational Fluid Dynamics, kurz CFD) lassen sich diese komplexen physikalischen Vorgänge untersuchen
Um Produkte stets auf dem neuesten Stand der Technik halten zu können, ist detailliertes Wissen hinsichtlich ihres Strömungsverhaltens eine Grundvoraussetzung. Mithilfe der numerischen Strömungsmechanik (engl. Computational Fluid Dynamics, kurz CFD) lassen sich diese komplexen physikalischen Vorgänge untersuchen.
Beim deutschen Antriebshersteller SCHOTTEL wurden aktuell erneut Investitionen im sechsstelligen Bereich getätigt, die das hohe Niveau der CFD-Berechnungen auch in Zukunft sicherstellen. Die Erkenntnisse, die während einer solchen CFD-Simulation gewonnen werden, dienen anschließend der Optimierung der Antriebslösungen.
Manfred Heer, Vice President Technology bei SCHOTTEL: "Bei SCHOTTEL sind CFD-Simulationen schon seit Jahren fester Bestandteil der hydrodynamischen Auslegung. Mithilfe von CFD-Berechnungen lassen sich unterschiedlichste Anwendungen, wie beispielsweise die Freifahrt des Propellers, Schiffswiderstand und Schleppleistung, Manövrierfähigkeit, Kavitationsneigung oder die Geräusch-entwicklung simulieren und analysieren. Darüber hinaus gewinnen wir mit dieser Methode wertvolle Belastungsdaten für die mechanischen Komponenten unserer Antriebssysteme. So lassen sich z.B. auch extreme Betriebsbedingungen simulieren, die man im realen Schiffsbetrieb aus Sicherheitsgründen nicht testen würde."
"Mit der Erhöhung unserer Kapazitäten können wir die höchstmögliche Qualität der CFD-Berechnungen gewährleisten. Der Detaillierungsgrad der Berechnungen kann entsprechend der Aufgabenstellung quasi beliebig erhöht werden. Er wird an der Relevanz der Ergebnisse gemessen und unter Beachtung der prognostizierten Rechendauer sowie der zur Verfügung stehenden Rechnerkapazität sorgfältig eingestellt. Das heißt: Wir können alles berechnen, was für die Strömung relevant ist. Außerdem ist es uns möglich, jedes Entwicklungsprojekt mit CFD zu unterstützen, um noch genauere Aussagen über das Strömungsverhalten treffen zu können", ergänzt Manfred Heer.
Schneller ein besseres Verständnis des Phänomens (v)ermitteln
Auch wenn CFD-Simulationen heute noch mit überdurchschnittlicher Expertise, hohem Zeitaufwand und leistungsstarken Rechnern verbunden sind, gelten sie meist als die günstigere und schnellere Alternative zu aufwändigen Modellversuchen. CFD-Berechnungen kommt dabei zugute, dass das Modell jederzeit mit geringem Aufwand beliebig erweiterbar, skalierbar und veränderbar ist. So lassen sich die Simulationen auch auf Strömungen anwenden, für die Experimente schwer realisierbar oder Messwerte experimentell nicht zu bestimmen sind.
Erhaltungsgleichungen als Berechnungsgrundlage
Mittels der Erhaltungsgleichungen (d.h. Gleichungen, bei denen sich der Wert einer Größe in bestimmten physikalischen Prozessen nicht ändert) für physikalische Größen wie Masse, Impuls und Energie, werden die Strömungseigenschaften um die komplexen Geometrien im Strömungsraum beschrieben. Durch die numerische Lösung dieser Gleichungen liegen am Ende der Berechnung genaue Informationen über das dreidimensionale Strömungsfeld im gesamten Untersuchungsgebiet vor.
Ablauf einer CFD-Simulation
Das Vorgehen während einer CFD-Simulation lässt sich in drei Schritte unterteilen: dem vorbereitenden Pre-Processing, der eigentlichen Berechnung während der Solving-Phase und dem abschließenden Post-Processing, bei dem die Ergebnisse validiert und visualisiert werden.
Pre-Processing, Solving, Post-Processing
Zunächst wird das Abbild eines 3D-Modells erstellt: Geometrie-Details, welche für die Simulation nicht oder nur bedingt relevant sind, werden vollständig entfernt oder vereinfacht dargestellt. Nach der geometrischen Aufbereitung des Modells erfolgt dessen Vernetzung und somit Erzeugung des sogenannten Rechengitters, bei der das Strömungsgebiet in endlich viele Zellen unterteilt wird. Ein Gitter mit schlechter Qualität – bei dem beispielsweise zu wenige Zellen erzeugt wurden und das Rechengitter anschließend zu grobmaschig ist oder das stark deformierte Zellen enthält – kann zu großen Fehlern im Ergebnis oder gar zum Abbruch der Berechnung führen. Ebenfalls zum Pre-Processing gehört die Festlegung der Anfangs- und Randbedingungen wie beispielsweise Geschwindigkeit, Volumenstrom, Druck oder Drehzahl. Die korrekte Definition dieser Parameter hat erheblichen Einfluss auf die Rechendauer sowie auf die Qualität und Genauigkeit der Ergebnisse.
Im Anschluss an das Pre-Processing erfolgt die eigentliche Berechnung – das Solving. Dabei ist entsprechende Hard- und Software gefragt, welche die Erhaltungsgleichungen im berechneten Volumen Zelle für Zelle löst. Der eigentliche Lösungsprozess ist ein iterativer Rechenvorgang, der sich im Erfolgsfall schrittweise einer eindeutigen Lösung nähert. Je nach Komplexität der Aufgabe können CFD-Berechnungen mehrere Stunden oder Tage in Anspruch nehmen.
Post-Processing bedeutet Validierung und Visualisierung der Ergebnisse
Nach erfolgreicher Berechnung werden die Resultate numerischer Simulationen auf Plausibilität geprüft. Der Validierungsprozess bezieht Vergleiche mit Erfahrungswerten, Grundgleichungen oder Werte aus Modellversuchen ein. Im letzten Schritt werden die Ergebnisse visualisiert und in Grafiken, Diagrammen oder Animationen dargestellt.
CFD: moderneste Technologie, jahrelanges Knowhow
Der verzahnte Einsatz von CFD-Simulationen und Finite-Elemente-Methoden (kurz: FEM) vereint die modernsten Technologien zur Strömungsberechnung mit der Mechanik. Zusammen mit jahrelangem Knowhow leisten sie einen erheblichen Beitrag zur erfolgreichen Entwicklung und Produktion effizienter und zuverlässiger Antriebslösungen.
