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Strömungen sind komplexe physikalische Vorgänge und erfordern besondere Untersuchungsmethoden. Dabei werden CFD-Simulationen angewendet. Dank dieser computerbasierten Methode profitieren SCHOTTEL-Kunden von noch mehr Expertise bei der Auslegung ihrer Produkte
Bei SCHOTTEL sind CFD-Simulationen schon seit Jahren fester Bestandteil der hydrodynamischen Auslegung. Mithilfe der numerischen Strömungsmechanik (engl. Computational Fluid Dynamics, kurz CFD) lassen sich unterschiedlichste Anwendungen, wie beispielsweise die Freifahrt des Propellers, Schiffswiderstand, Schleppleistung, Manövrierfähigkeit, Kavitationsneigung oder Geräuschentwicklung simulieren und analysieren.
Die Erkenntnisse, die während einer CFD-Simulation gewonnen werden, dienen anschließend zur weiteren Optimierung der Antriebslösungen.
Um SCHOTTEL-Produkte stets auf dem neuesten Stand der Technik halten zu können, ist detailliertes Wissen hinsichtlich ihres Strömungsverhaltens eine Grundvoraussetzung. Hierbei kamen bislang hauptsächlich Modellversuche zum Einsatz, mithilfe derer Messgrößen wie Druck, Schub oder Geschwindigkeit ermittelt und anschließend auf die Großausführung skaliert wurden. Die numerische Strömungsmechanik findet zwar schon seit Jahren in der Forschung breite Anwendung, gewinnt jedoch ins besondere im industriellen Umfeld in den letzten Jahren immer größere Anerkennung. Bei SCHOTTEL wurden aktuell Investitionen im sechsstelligen Bereich getätigt, die das hohe Niveau der CFD-Berechnungen auch in Zukunft sicherstellen.
Mittels Erhaltungsgleichungen für physikalische Größen wie Masse, Impuls und Energie, werden die Strömungseigenschaften komplexer Bauteile beschrieben. Durch die numerische Lösung dieser Gleichungen liegen am Ende der Berechnung genaue Informationen über das dreidimensionale Strömungsfeld im gesamten Untersuchungsgebiet vor.
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 sind Gleichungen, bei denen sich der Wert einer Größe in bestimmten physikalischen Prozessen nicht ändert, also erhalten bleibt. Der bekannteste Erhaltungssatz ist der der Energie. Umgangssprachlich lautet er: „Was man an Energie eingibt, wird genauso wieder an Energie ausgegeben. Das heißt: Es geht keine Energie verloren und es entsteht keine aus dem Nichts.“ Die fünf Erhaltungsgleichungen von Masse, Impuls in allen Raumrichtungen und Energie werden auch als Navier-Stokes-Gleichungen bezeichnet.
Das Vorgehen während einer CFD-Simulation lässt sich in drei Schritte unterteilen: dem vorbereitenden Pre-Processing, der eigentlichen Berechnung während der Solution-Phase und dem abschließenden Post-Processing, bei dem die Ergebnisse validiert und visualisiert werden.
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 degenerierte Zellen enthält – kann zu großen Fehlern im Ergebnis führen, die bis zum Scheitern der Simulation reichen. Für diese wird im nächsten Schritt (Solution) die Berechnung der Erhaltungsgleichungen durchgeführt. 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 Qualität und Genauigkeit der Ergebnisse.
Im Anschluss an das Pre-Processing erfolgt die eigentliche Berechnung, die mehrere Stunden oder Tage in Anspruch nehmen kann. Dabei ist entsprechende Hard- und Software gefragt, welche in dem Rechengebiet die Erhaltungsgleichungen Zelle für Zelle löst.
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.
Numerische Methoden wie CFD vereinen nicht nur modernste Technologien und jahrelanges Knowhow, sondern tragen einen erheblichen Beitrag zur erfolgreichen Entwicklung und Produktion effizienter und zuverlässiger Antriebs-lösungen bei.
