CFD umfasst verschiedene numerische Methoden zur Modellierung der Strömungen von Flüssigkeiten wie Flüssigkeiten, Gasen und anderen komplexen Substanzen. Sie ermöglicht die Untersuchung spezifischer Umgebungen, wie z. B. Strömungen um oder in einem Objekt, unter Berücksichtigung von Fluid-Struktur-Wechselwirkungen, Wärmeübertragung, Thermohydraulik, laminaren, turbulenten und reaktiven Strömungen sowie anderen Phänomenen wie Mikrofluidik, viskosen Strömungen, flüssigen Metallen, Elektrolyten, zweiphasigen Strömungen, mehrphasigen Strömungen und Aerodynamik.
Das Studium und die Beherrschung von Strömungen, Wärmeübertragungen und der damit verbundenen Kinetik sind für ein Projektteam von unschätzbarem Wert, sei es, um einen neuen Prozess zu schaffen, ein bestehendes System zu überdenken oder nach Optimierungsmöglichkeiten zu suchen.
Heute ist CFD unerlässlich für die Optimierung des Energieverbrauchs, die mehr denn je notwendig ist, um die Kosten unter Kontrolle zu halten.
Sie werden häufig eingesetzt, um das Verhalten von Flüssigkeiten wie Luft, Wasser oder Gasen in realen physikalischen Systemen zu untersuchen. Warum ist CFD ein Gewinn für Ihre F&E- und Innovationsprojekte? Denn sie ermöglicht :
das Verhalten von Flüssigkeiten in komplexen Systemen verstehen
Zum Beispiel kann sie dabei helfen, vorherzusagen, wie die Luft in einem Gebäude zirkuliert, Serverräume, Parkplätze mit natürlicher Belüftung innerhalb eines Ökoquartiers, die Kühlung von Zielen, ….
Die Leistung von Systemen bewerten
Die CFD-Simulation kann verwendet werden, um die Leistung verschiedener Systeme in Bezug auf Design, Größe oder Form zu bewerten.
Zum Beispiel kann man damit die Aerodynamik eines Autos, die Leistung einer Turbine oder eines Windrads, die Reibung der Luft im Gehäuse einer Uhr usw. bewerten.
Optimierung des Systemdesigns
Schnelles Testen verschiedener Systemdesigns, um die beste Konfiguration für eine bestimmte Anwendung zu ermitteln.
Zum Beispiel kann sie dabei helfen, das Design eines Flugzeugflügels zu optimieren, um den Luftwiderstand zu verringern, das Design einer Pumpe, um ihren Wirkungsgrad zu verbessern, die Kopplung von Pumpen und Sprühdüsen…
Entwicklungskosten und Time-to-Market senken
Digitale Prototypen mittels CFD-Simulation ersetzen lange und kostspielige Testkampagnen, die in der Regel viele Zyklen von Prototypenherstellung, Test, Interpretation und Modifikation beinhalten. So ist es möglich, das Design von Kühlkanälen, die Optimierung der Leistung von Wärmetauschern, die Optimierung der Aerodynamik eines Fahrzeugs oder die Leistung einer Pumpe effizient zu untersuchen.
In jeder Phase des Projekts begleiten Sie unsere Teams, um :
- Modell festlegen: Spezifizieren Sie die Randbedingungen und Fluideigenschaften und wählen Sie den geeigneten Modelltyp für das untersuchte System aus.
- Modellieren Sie die Geometrie so, dass sie für die tatsächliche Situation repräsentativ ist. Dieser Schritt kann die Erstellung eines 3D-Modells der Geometrie oder den Import eines vorhandenen Modells beinhalten.
- Erstellen Sie das Netz: Dies ist ein wichtiger Schritt für die Genauigkeit der Simulation. Das Netz sollte fein genug sein, um wichtige Details der Geometrie zu erfassen, aber nicht zu fein, um lange Rechenzeiten zu vermeiden.
- Definieren Sie die Anfangs- und Randbedingungen für das Modell. Dazu können Temperatur, Druck, Geschwindigkeit usw. gehören.
- Lösen der Gleichungen : Die Gleichungen der Fluiddynamik werden numerisch gelöst, um die Felder für Geschwindigkeit, Druck, Temperatur usw. zu bestimmen.
- Analysieren Sie die Ergebnisse, um das Verhalten der Flüssigkeiten im System zu verstehen und die richtigen Entscheidungen zu treffen, um das Design und die Arbeitsweisen zu validieren, Wartungsarbeiten zu planen und zu antizipieren…
- Ergebnisse überprüfen und validieren: Um sicherzustellen, dass die Simulation genau ist und die tatsächliche Situation abbildet, und um das Modell anzureichern, das dann auf Ihre Teams übertragen werden kann. Dazu kann auch der Vergleich von Simulationsergebnissen mit experimentellen Daten gehören.
Die wichtigsten analysierten Elemente sind :
- Flüssigkeitsströme: Bewegung im System, Geschwindigkeiten und Richtungen.
- Druck: Um zu verstehen, wie die Flüssigkeit mit den festen Oberflächen des Systems interagiert.
- Temperatur: um zu verstehen, wie sich Wärme im System ausbreitet, z. B. in Gehäusen, in denen elektronische Bauteile unter extremen Bedingungen untergebracht sind
- Turbulenzen: CFD-Simulationen können auch dabei helfen, die Auswirkungen von Turbulenzen, d. h. chaotischen Bewegungen des Fluids, vorherzusagen und zu quantifizieren.
- Wärmeaustausch: CFD-Simulationen können verwendet werden, um den Wärmeaustausch zwischen der Flüssigkeit und den festen Oberflächen des Systems zu verstehen.
Es gibt viele verschiedene Programme, um CFD (Computational Fluid Dynamics) durchzuführen, wobei jedes Programm seine Vor- und Nachteile hat. Hier ist eine unvollständige Liste einiger der beliebtesten Software :
ANSYS Fluent, Comsol Multiphysics, STAR-CCM+ :
Dies sind die am häufigsten verwendeten kommerziellen CFD-Softwareprogramme oder „Solver“ für die Simulation von Flüssigkeiten, Wärme und Massentransfer, z. B. für eine Analyse von Partikelbewegungen. Ihre Anwendungen reichen von der Aerodynamik von Fahrzeugen über die Simulation von Verbrennungsvorgängen bis hin zu elektromagnetischen Effekten in leitfähigen Flüssigkeiten (Elektrolyten, Flüssigmetallen, Salzschmelzen usw.). Aufgrund ihrer Vielseitigkeit und praktischen Handhabung eignen sie sich besonders für die effiziente Durchführung verschiedener Studien.
OpenFOAM, SU2 :
Diese Tools sind die „freien“ Pendants zu den im vorherigen Abschnitt beschriebenen kommerziellen Solvern. Diese Open-Source-Software erfordert mehr Erfahrung, um effektiv genutzt werden zu können, sie hält die Lizenzkosten niedrig, ermöglicht Änderungen an den Solvern und erlaubt umfangreichere Berechnungen.
(Open)Modelica, Dymola, ECOSIM PRO :
Ermöglichen eine 0D/1D-Darstellung eines Regelkreises oder eines vollständigen Systems, das u. a. Hydraulik (Durchflussmengen, Druckverluste), Thermik, Kontrollsysteme, Akustik usw. umfasst.
Zum Beispiel, um Hitzeschilde für eine Fusionsanlage zu untersuchen, um Strategien für die Installation von Druckluftnetzen zu erforschen, um die Belüftung eines Gebäudes oder den Betrieb eines Flüssigmetallreaktors zu optimieren.
Projektbeispiele :
Kühlung von Radionuklidzielen :
Medizinische Anwendungen wie PET-Scans erfordern die Herstellung von kurzlebigen radioaktiven Tracern direkt in den Kliniken. Diese Radionuklide werden von leistungsstarken Teilchenbeschleunigern erzeugt, die ihren Strahl in kompakte Targets abgeben, wobei die Targets die hohe thermische Belastung verkraften müssen. Unsere Ingenieure kombinieren CFD-Berechnungen und Monte-Carlo-Simulationen, um die thermische Belastung zu erreichen und Ihnen Einsparungen bei der Kompaktheit, dem Druckverlust, der Energie und der Kühleffizienz zu ermöglichen.
Natürliche Belüftung :
Während Umweltbelange im Bauwesen eine immer größere Rolle spielen, bietet CFD umweltfreundliche Alternativen zur herkömmlichen mechanischen Belüftung. Durch die Optimierung ihrer Belüftung können Sie mit unseren Simulationen sicherstellen, dass Ihre Parkhäuser, Großraumbüros und anderen geschlossenen Räume den neuesten Standards entsprechen und die Grenzwerte für die Schadstoffkonzentration einhalten. So ermöglichen wir es Ihnen, Ihren Bedarf an mechanischer Belüftung zu minimieren oder sogar ganz zu streichen. Unsere Ingenieure können Sie zum Beispiel bei der Validierung von Parkhäusern mit natürlicher Belüftung gemäß der SWKI-Richtlinie VA103-01 begleiten.
Aerosole :
Aerosole, die aus anthropogenen oder natürlichen Quellen stammen, stehen im Mittelpunkt zahlreicher Herausforderungen: Beherrschung der Feinstaubbelastung in der Automobilindustrie, Verstopfung von Filtersystemen oder Handhabung von Pulvern in der Pharmaindustrie. Mit ihrer Erfahrung in der Mehrphasen-CFD werden die DAES-Experten Sie bei der Konzeption und Umsetzung Ihrer innovativen Lösungen begleiten.
Zweiphasenströmungen :
Die Berücksichtigung des Siedevorgangs bei der Entwicklung von Produkten, die starken thermischen Belastungen ausgesetzt sind, ist ein komplexer und vielfältiger Prozess, bei dem unsere Ingenieure Sie mit analytischen und numerischen Studien (CFD, Systeme) und deren konkreten Anwendungen für Ihre Produkte unterstützen können.
Flüssige Metalle :
Die Atomindustrie, insbesondere ihre modernsten Entwicklungen (SMR, ADS, ITER), ist Pionier bei der Verwendung von flüssigen Metallen und Salzschmelzen als Wärmeträger und Reaktionsträger. Die DAES-Ingenieure stützen sich auf die anerkannte Erfahrung ihrer Mitarbeiter in den Bereichen nukleare Innovation und Beschleuniger (ITER, CERN, ESS, IRSN, PSI), um Sie bei den komplexen Themen dieser korrosiven, reaktiven Flüssigkeiten zu unterstützen, deren komplexe magnetohydrodynamische Strömungen, die sich aus der Interaktion dieser leitfähigen Flüssigkeiten mit den sie umgebenden Magnetfeldern ergeben, wir zu modellieren wissen.
Wasserstoff :
Die Herstellung von Wasserstoff als Energieträger ist ein hochaktuelles Thema und ein Gebiet mit komplexer Physik an der Schnittstelle von zweiphasigen Flüssigkeits-Gas-Strömungen, Elektrochemie, Thermik und vielen anderen Bereichen. Bei DAES verwenden unsere Ingenieure Werkzeuge wie CFD und die Modellierung komplexer Systeme, die sie zusammen mit ihrer Erfahrung und ihrem wissenschaftlichen Hintergrund in die Lage versetzen, innovative Lösungen für die Herstellung und Nutzung von Wasserstoff zu entwickeln.
Turbomaschinen :
Turbomaschinen wie Pumpen und Turbinen sind komplexe Systeme, deren Betrieb von einer Vielzahl von Strömungsphänomenen abhängt, darunter Turbulenz, Kavitation und Schmierung. Durch den Einsatz modernster numerischer Methoden begleiten unsere CFD-Experten Sie beim Design und der Bewertung Ihrer Hydrauliksysteme und helfen Ihnen, deren Leistung zu optimieren.
