CFD Simulation, Strömungssimulation

CFD-Simulation – Nutzen im Engineering

Die CFD Simulation (CFD = "Computational Fluid Dynamics", deutsch = "Numerische Strömungsmechanik") bzw. Strömungssimulation dient der Auslegung und Optimierung strömungsführender Bauteile und umströmter Körper. Die CFD-Simulation bildet Strömungen und Strömungsverläufe rechnerisch nach. Die Visualisierung von Strömungswegen mit CFD-Software deckt Schwachstellen in der Strömungsführung auf, womit wiederum der Wirkungsgrad Produkten und Prozessen optimiert werden kann.

Die Strömungssimulation bzw. Strömungsanalyse zeigt detailliert, wo Strömungsverluste bzw. Druckverluste entstehen. Sind Messungen nicht möglich oder zu zeitintensiv, ist die CFD Simulation das richtige Entwicklungstool zur Optimierung von Druckverlusten.

Strömungsverluste / Druckverluste verringern

Was ist der konkrete Nutzen einer CFD Strömungssimulation? Technische Geräte und Fahrzeuge, die mit Gas, Luft oder Flüssigkeiten umströmt oder durchströmt werden, sind heutzutage allgegenwärtig: PKW, Transporter und LKW sowie Turbolader, Pumpen, Rohrleitungen, Staubsauger oder Wäschetrockner etc. Allen Geräten gemeinsam ist, dass ihr Energieverbrauch direkt von Strömungsverlusten abhängt.

Ein Strömungsverlust bzw. ein Druckverlust entsteht durch Strömungsablösungen (Rezirkulationen), bis hin zu einem vollständigen Strömungsabriss. Strömungsablösungen werden u. a. verursacht durch

• scharfe Umlenkungen
• unstete Querschnittserweiterungen
• Bauteilelemente, die in der Strömungsführung liegen

Dabei kommt zu einem "Aufplatzen" des Strahls. Neben dem Verlust von Druck kann eine weitere negative Folge eine Geräuschentstehung sein. Eine CFD Simulation deckt diese ungünstigen Strömungsverläufe auf und erlaubt es, strömungsführende Bauteile gezielt zu optimieren.

M.TEC: Dienstleister/Ingenieurbüro für CFD Simulation

Als Dienstleister für CFD Simulation bzw. Strömungssimulation berechnet M.TEC unterschiedliche Medien mit ihren jeweiligen Viskositäten wie z. B. Luft, Wasser, Öle, Gele und Kleber. Auch die Durchmischung verschiedener Medien (z. B. ein Mehrkomponentenkleber oder ein Luft-/Treibstoffgemisch) lässt sich mit einer CFD Simulation berechnen.

Das Team von M.TEC für Simulation & Berechnung ist spezialisiert auf Strömungsberechnungen. Mit umfangreichen Kenntnissen der zugrunde liegenden physikalischen Zusammenhänge in der Strömungsmechanik liefern wir zügig Simulationsergebnisse mitsamt der richtigen Interpretation, mit denen Anpassungen an den CAD-Daten vorgenommen werden können. M.TEC entwickelt strömungsoptimierte Konzepte und leitet entsprechende Maßnahmen aus den Ergebnissen der Strömungssimulation ab – zur Optimierung Ihres Bauteils oder Produkts.

Häufige Fragen zu Strömungssimulationen mit M.TEC

Hintergrund – Arten bzw. Typen von CFD-Simulationen bzw. Strömungssimulationen

Stationäre Simulation

Stationäre Simulationen sind nützlich in Fällen, in denen sich die Strömungseigenschaften wie Geschwindigkeit, Druck und Temperatur nicht mit der Zeit ändern und ein System im Gleichgewicht darstellen. Die Strömung hat möglicherweise einen konstanten Zustand ohne Schwankungen erreicht, oder die Änderungen sind minimal und haben keinen Einfluss auf die Strömungseigenschaften. Wenn zu erwarten ist, dass ein zu untersuchendes System/Prozess einen stationären Zustand erreicht oder sich einem stationären Zustand annähert, kann eine stationäre CFD-Simulation verwendet werden, um das Strömungsverhalten zu analysieren und eine Lösung für ein Problem im System zu finden. Diese CFD-Simulationen sind nützlich für die Designoptimierung, in frühen Designphasen und in Fällen, in denen die durchschnittliche Strömungsverhalten ausreichend ist.

Instationäre Simulation

Strömungen mit variierenden Strömungsparametern wie variabler Volumenstrom und zeitabhängigen Phänomenen wie Wirbelablösung, oszillierenden Strömungen, Strömungsablösung, hoher Turbulenz, die zu einem veränderten Strömungsverhalten führt, Phasenwechsel und variierendem Flüssigkeitsvolumen können mit einer instationären/transienten CFD-Simulation analysiert werden. In diesem Fall wird die Variation der Strömungsparameter in Bezug auf die Zeit untersucht und die Änderung der Strömung wird mit der Zeit analysiert. Dies hilft bei der Identifizierung des Strömungsverhaltens und der Ermittlung notwendiger Änderungen am untersuchten System.

Thermische Simulation bzw. Wärmeübertragungssimulation

In thermischen CFD-Simulationen (Wärmesimulation) können die Wärmeübertragung (Konvektion bzw. thermische Vorgänge) und die Strömung im System zwischen verschiedenen Materialien, seien es Festkörper (Solids), Flüssigkeiten (Fluide) oder Gase, analysiert werden. Neben Oberflächen mit konstanter/schwankender Temperatur können auch Wärmequellen oder Kühlkörper im System berücksichtigt werden.

Diese Art der CFD-Simulation ermöglicht eine detaillierte Analyse der Temperaturverteilung und des Wärmeflusses, die für die Optimierung des Wärmemanagements in der Elektronik, in HLK-Systemen, in Automobilkomponenten und anderen industriellen Prozessen von entscheidender Bedeutung sind.

Fluid-Struktur-Interaktion

Die Fluid-Struktur-Interaktion in CFD-Simulationen berücksichtigt die Wechselwirkung zwischen Fluid und deformierbaren Festkörpern. In Fällen, in denen Fluide erhebliche Kräfte (Druck und Scherkräfte) auf die Struktur aufprägen, ist es wichtig, die Auswirkungen auf die Struktur zu berücksichtigen. Die deformierte Struktur beeinflusst auch die Strömung und verändert letztendlich die Fluidkräfte auf die Struktur. Die Fluid-Struktur-Interaktion spielt eine entscheidende Rolle bei der detaillierten Analyse der Wechselwirkung zwischen der Strömung und den Strukturen im Strömungsbereich. Einige Beispiele, bei denen die Fluid-Struktur-Interaktion eine wichtige Rolle spielt, sind pneumatische Steuerungssysteme (Ventile), biomedizinische Anwendungen zur Untersuchung des Blutflusses in Arterien/künstlichen Herzen, Windkraftanlagen/Gezeitenkraftwerke, Wetterüberwachungssysteme, Windkanaltests in der Automobil-/Luftfahrtindustrie oder anderen Produkten.

Mehrphasige Strömungen/Mehrphasenströmungen

Diese Art der CFD-Simulation umfasst mehrere nicht mischbare Fluide (Gase oder Flüssigkeiten) oder verschiedene Phasen eines einzelnen Fluids (z. B. Wasser und Wasserdampf). Mehrphasige CFD-Strömungssimulationen helfen bei der Analyse der Wechselwirkung zwischen verschiedenen Fluiden/Phasen. Die Strömungen können je nach dem zu analysierenden System/Prozess mit einer scharfen Grenzfläche zwischen den Fluiden oder als Gemisch von Fluiden modelliert werden. Beispiele für den Einsatz von mehrphasigen CFD-Simulationen sind Fluidtransporttanks, die Analyse der Gaskonzentration in Arbeitsräumen, Mischvorgänge in der verarbeitenden Industrie usw.

Partikeltransport

CFD-Simulationen können verwendet werden, um den Partikelstrom in Systemen zu untersuchen und die Partikelverteilung im betrachteten System zu analysieren. Der Einfluss des Strömungsfeldes auf die Partikel wird berücksichtigt, um den Transport der Partikel im System zu analysieren. Die Lagrange-Partikelmethode und die Diskrete-Elemente-Methode (DEM) sind gängige Methoden zur Untersuchung des Partikeltransports in Fluidsystemen.

Phasenwechsel-Simulationen

CFD-Simulationen können verwendet werden, um die Phasenänderung zwischen festen, flüssigen und gasförmigen Zuständen wie Schmelzen, Gefrieren, Verdampfen und Kondensieren zu untersuchen. Dadurch entfällt die Notwendigkeit umfangreicher Überwachungssysteme und es können die erforderlichen Änderungen an einem System vorgenommen werden, um bestehende Probleme vor der Produktion zu beheben. Beispiele für Fälle, in denen CFD-Simulationen von Phasenänderungen verwendet werden können, sind unter anderem Schornsteine mit Dampf, Wärmetauscher, Turbomaschinen usw.