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Was ist numerische Strömungsmechanik?

Der Begriff Computational Fluid Dynamics (CFD) entspricht im Deutschen der numerischen Strömungsmechanik (NFM). CFD ist die numerische Berechnung, die auf die Strömungsmechanik angewandt wird. CFD-Software ermöglicht die computergestützte Lösung der Grundgleichungen der Strömungsmechanik, die mit Gleichungen für Wärmeübertragung oder chemische Reaktionen gekoppelt werden können. Numerische Simulationen berücksichtigen zahlreiche Parameter wie das Fluidvolumen, physikalisch-chemische Eigenschaften wie die Reynolds-Zahl, die Viskosität und die Machzahl.

Mit dieser 8-minütigen Lektüre erfahren Sie mehr über die Anwendung von CFD in der Industrie!

Strömungsmechanik: Auffrischung der Grundlagen

Die Strömungsmechanik ist eine physikalische Disziplin, die sich mit dem Verhalten eines Fl uids befasst: Flüssigkeiten (gelten als inkompressibel), Gase (gelten als kompressibel) oder seltener in Form von Plasma. Sie kann in zwei Kategorien unterteilt werden:
  • Flüssigkeitsstatik (Hydrostatik): Untersuchung eines ruhenden Systems. Es ist der historische Beginn dieser Disziplin mit der Untersuchung des Drucks und des Auftriebs von Archimedes.
  • Fluiddynamik: die Untersuchung eines sich bewegenden Systems.
In der Flüssigkeitsdynamik lassen sich Flüssigkeiten nach einer bestimmten physikalisch-chemischen Eigenschaftin zwei Kategorien einteilen: ihre Viskosität. Sie entspricht der Fähigkeit der Flüssigkeit, mehr oder weniger leicht zu fließen.
  • Newtonsche Flüssigkeiten: Dazu gehören Wasser, Luft und die meisten Gase. Ihre Viskosität ist konstant, sie ändert sich lediglich in Abhängigkeit von der Temperatur.
  • Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten: alle anderen Flüssigkeiten wie Blut, Gele, Emulsionen, Pasten … Die Viskosität dieser Flüssigkeiten ändert sich nicht nur mit der Temperatur, sondern hängt auch von der Geschwindigkeit und den Belastungen ab, denen sie beim Fließen ausgesetzt sind.
Die Untersuchung von Gasen oder Flüssigkeiten erfolgt durch die Anwendung verschiedener Formeln oder Theoreme, die für diese Disziplin typisch sind:
  • Grundgesetz der Fluidstatik ;
  • Eulersche Gleichung ;
  • Bernoulli-Theorem und Bernoulli-Beziehungen ;
  • Navier-Stokes-Gleichungen.
Detailpunkt über die perfekte Flüssigkeit
Eine perfekte Flüssigkeit ist eine idealisierte Flüssigkeit (sie existiert nicht natürlich), um ihre Untersuchung zu erleichtern. Ihre Bewegung wird ohne Berücksichtigung ihrer Parameter Viskosität und Wärmeleitfähigkeit untersucht. Hinzu kommt die Annahme der Erhaltung der Masse. Die perfekte Flüssigkeit ist nur eine Annäherung.

Numerische Strömungsmechanik

Die numerische Strömungs mechanik ist eine Weiterentwicklung der klassischen Strömungsmechanik, bei der numerische Analysen verwendet werden, um das Verhalten von Flüssigkeiten unter realen Bedingungen zu visualisieren und zu untersuchen. Diese Disziplin hat sich in den letzten dreißig Jahren stark entwickelt und ist aus vielen Branchen nicht mehr wegzudenken. Numerische Simulationsmethoden werden in der Strömungsmechanik zu analytischen Zwecken angewandt: als Ergänzung zu physikalischen Experimenten, aber auch zum Zweck der Vorhersage. Die CFD-Simulationssoftware werden weit verbreitet eingesetzt und sind für die Industrie unumgänglich geworden. Sie erleichtern es Ingenieuren, physikalische Phänomene an simulierten Modellen zu verstehen, bevor sie experimentelle Tests an physikalischen Modellen durchführen. Die CFD-Software sagen die Leistung komplexer Systeme vor der Installation einer Infrastruktur oder der Verwendung eines Produkts voraus, um Fehler zu begrenzen, die aus sicherheitstechnischer Sicht schädlich sein könnten. In den Testphasen wird die numerische Berechnung mit den Parametern der tatsächlichen Nutzungsbedingungen durchgeführt. Die Konstruktionsingenieure ändern die Daten so lange, bis sie korrekte Modellierungen erhalten. Mehrere alternative Designs können untersucht werden, bevor die endgültige Lösung validiert und die Produktionsphase eingeleitet wird. Im Allgemeinen erfüllt die numerische Strömungsmechanik zwei wichtige Herausforderungen für Unternehmen:
  • Lösen von Problemen, die aufgrund der beteiligten physikalischen Phänomene immer komplexer werden.
  • Effizientere Problemlösungen: durch bessere Rechenzeiten, aber auch durch eine höhere Qualität der erzielten Ergebnisse.
  • Reduzieren Sie die Anzahl der Prototypen (digitale Prototypen).
 

Weiterführende Fragen: Rheologie als Erweiterung der Strömungsmechanik

Rheologie wird als Wissenschaft definiert, die sich mit der Verformung und dem Fließen von Materie befasst. Genauer gesagt, die Untersuchung des mechanischen Verhaltens von Materie: Beziehungen zwischen Spannungen und Verformungen. Die Rheologie ist ein Zweig der Mechanik, der den Zusammenhang zwischen Viskosität, Plastizität und Elastizität von Materie herstellt. In diesem Fach werden daher Kenntnisse in Materialwiderstand (RDM) und Hydraulik für die Durchführung praktischer Berechnungen herangezogen. Das Studium der Rheologie ist auf drei Ebenen angesiedelt:
  • experimentelle Materialforschung ;
  • Theoretische Studie nach den Verhaltensgesetzen dieser Materialien ;
  • Untersuchung, auf mikroskopischer Ebene, des Einflusses der Struktur auf das Verhalten der Materie: Geometrie, Vernetzung…
Die Strömungsmechanik kann in der Rheologie enthalten sein.

CFD-Anwendungen im Ingenieurwesen

CFD-Werkzeuge werden bereits in der Konzeptionsphase eines Produkts eingesetzt, um die Tragfähigkeit eines physikalischen Modells zu überprüfen. Die numerische Strömungsmechanik eignet sich besonders gut, um die Leistung von Anwendungen vorherzusagen, bei denen experimentelle Messungen schwierig sind.

Je nach CFD-Software können Sie auf verschiedene Funktionen zugreifen, die Sie je nach Bedarf auswählen können:

  • Wärmeübertragung ;
  • stationärer (stabiler) und transienter (zeitlich veränderlicher) Zustand ;
  • Druckverluste ;
  • Turbulenzmodelle ;
  • aerodynamische Analyse ;
  • Bewegungen von beweglichen oder rotierenden Teilen ;
  • Wechselwirkungen von Flüssigkeiten mit einer Struktur ;
  • Mehrphasenströmungen (mehrere flüssige, feste oder gasförmige Phasen existieren nebeneinander und interagieren miteinander) ;
  • chemische Reaktion ;
  • Partikelverfolgung ;
  • Verfestigung oder Verschmelzung…

Nach den Designideen besteht das Ziel einer Industrie darin, schnell Produkte mit hohem Mehrwert auf den Markt zu bringen, die die Marktnachfrage befriedigen. Die Antizipation von Fehlerszenarien und unbefriedigender Leistung ist einer der Erfolgsfaktoren bei der Entwicklung einer neuen Industrielösung. CFDs erweisen sich als sehr nützlich für jede Branche, die versucht, potenzielle Risiken vor einer Markteinführung so weit wie möglich abzuschwächen.

Hier sind konkrete industrielle Anwendungen der numerischen Modellierung von thermo-fluidischen Phänomenen :

    • Automobil: Klimakreislauf, Abgase, Aerodynamik des Fahrzeugs, Getriebe, Motorkühlkreislauf…
    • Luft- und Raumfahrt und Verteidigung: Aerodynamik von Fahrzeugen in der Luftumgebung (Unterschall- und Überschallströmungen von Flüssigkeiten).
    • Elektronik: thermische Analyse von Leiterplatten, Kühlung von Anlagen, LEDs…
  • Energie: Atomkraft, Windkraft, Rückgewinnung verlorener Energie, Solarenergie usw.
  • Schifffahrt: Untersuchung von Kavitation (Blasenbildung in einer Flüssigkeit, die einem Unterdruck ausgesetzt ist), Propellerdesign…
    • Industrie: Pumpen, Turbokompressoren, Ventilatoren, Gas- oder Dampfturbinen…
  • Verschiedene Konsumgüter: Akustik von Gebäuden oder Gegenständen, Kühlschränke, Motorradhelme…

CFD Computational Fluid Dynamics: Vorteile für die Industrie

Wie bereits erwähnt, ist der Einsatz von CFD von Vorteil, wenn das Verhalten des untersuchten physikalischen Systemsnicht durch herkömmliche Berechnungen simuliert werden kann. Computational Fluid Dynamicserleichtert nicht nur das Verständnis von Projektmitarbeitern, sondern ist auch ein Mittel, um Wissen an Nicht-Experten weiterzugeben. Sie können diese Methode also nutzen, um eines Ihrer Projekte leichter Kunden oder Investoren vorzustellen.

  • Senkung der Entwicklungskosten

Durch die digitale Modellierung von Flüssigkeiten in einem Computer Aided Design (CAD)-System werden die Kosten für die Herstellung von Prototypen gesenkt. Die Verknüpfung von 3D-CAD- und CFD-Software erleichtert die schnelle Iteration und Optimierung des Designs. Dies führt zu einer Senkung der Forschungs- und Entwicklungskosten, der Arbeitskosten…

  • Antizipation von Fehlern

Die numerische Simulation fördert die Antizipation/Vorhersage des Verhaltens/der Funktionsweise eines Systems, um bereits in einem frühen Stadium des Designprozesses die vielversprechendsten Konzepte auszuwählen. Sie macht gewissermaßen das Unsichtbare sichtbar: Ingenieure erhalten mehr Informationen, als sie mit einem physischen Modell jemals erhalten könnten. Die numerische Untersuchung von Szenarien erleichtert es, die Funktionsweise wichtiger Designelemente frühzeitig vorherzusagen. Dadurch werden Risiken reduziert, die in späteren Phasen, in denen eine Änderung des Designs kostspieliger wäre, bestehen bleiben würden. Da sie bereits zu Beginn des Designprozesses implementiert wird, kommen die Ergebnisse der ursprünglichen Designabsicht so nahe wie möglich:
  • Unsicherheiten früher erkannt werden :
  • Risiken werden beseitigt, wenn es möglich ist und schneller geht, Änderungen vorzunehmen.

  • Verbesserung der Produktqualität

Dies ist eine Folge der vorherigen Gewinne. Durch die frühzeitige Untersuchung von strömungsmechanischen Phänomenen während der Entwicklung eines Produkts oder einer Lösung wird die endgültige Leistung aufgewertet. Wenn Sie CFD in ihren Konstruktionsprozess integrieren, können Sie die Endqualität Ihrer Leistungen verbessern. Dadurch wird die Kundenzufriedenheit erhöht, was sich wiederum positiv auf Ihren Umsatz auswirkt. Die numerische Strömungsmechanik, die für industrielle Anwendungen genutzt wird, erleichtert Ingenieuren in Konstruktionsbüros die Arbeit bei der Entwicklung von Lösungen oder Produkten. CFD-Software wird von der Industrie in den ersten Phasen der Produktentwicklung eingesetzt: Sie ist ein echtes Werkzeug für Kreativität und Systemerforschung. Virtuelle Prototyp en werden oft von physischen Prototypen begleitet, die nicht mehr nur zum Testen existieren, sondern die Vorhersagen validieren. CFD ist eine Lösung, um dem optimalen Industriedesign näher zu kommen.
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