13 Schlüsselanwendungen der CFD-Simulation und -Modellierung

Computational Fluid Dynamics (CFD) ist eine Wissenschaft, die Datenstrukturen verwendet, um Probleme der Fluidströmung zu lösen – wie Geschwindigkeit, Dichte und chemische Zusammensetzung.

Diese Technologie wird in Bereichen wie Kavitationsverhinderung, Luft- und Raumfahrttechnik, HLK-Technik, Elektronikfertigung und vielem mehr eingesetzt.

Nachfolgend finden Sie eine Liste der gängigsten CFD-Simulationsanwendungen, die heute verwendet werden.

1. CFD-Simulation zur Vermeidung von Kavitation

Kavitation ist die Bildung von Dampfblasen in einer Flüssigkeit und tritt auf, wenn sich ein Objekt (z. B. ein Propeller) durch die Flüssigkeit bewegt. Kavitation kann Schäden an Propellern, Düsen, Turbinen, Überläufen und Ventilen verursachen.

Kavitation ist ein kritisches Problem der Fluiddynamik, das sich auf eine Vielzahl von technischen Bereichen auswirkt.

Das größte Problem?

Es ist sehr schwierig, durch Kavitation verursachte Schäden an einer Komponente während physikalischer Belastungstests zu erkennen – da die Beschädigung allmählich erfolgt und keine offensichtlichen Auswirkungen zeigt, bis sie einen kritischen Schwellenwert erreicht.

Beispielsweise besteht eine Möglichkeit zur Messung von Kavitationsschäden an einem Propeller darin, Instrumente zur Messung von Vibrationen und Geräuschen zu verwenden. Aber die meisten Instrumente sind nicht empfindlich genug, um diese Art von Schaden genau zu messen.

Die Kavitationssimulation durch CFD kann Ingenieuren jedoch helfen, winzige Schwellenwerte festzulegen, die in der physikalischen Welt schwer zu messen wären. Sie können auf sehr granularer Ebene messen, um alternative Produkte und Designs zu vergleichen, um die Flexibilität, Haltbarkeit und Sicherheit ihrer Projekte zu verbessern.

2. Simulation rotierender Maschinen mit CFD

Rotierende Maschinen wie Kompressoren, Dampfpumpen, Gasturbinen und Turboexpander haben eines gemeinsam:die zyklische Belastung der Struktur.

Labyrinthdichtungen werden in verschiedenen rotierenden Maschinentypen verwendet, um den Leckstrom zu reduzieren. Das durch die Dichtungen strömende Gas erzeugt oft eine Antriebskraft, die zu instabilen Rotorschwingungen führt.

Wesentlich ist hier, die dynamische Rotorkraft bestimmen zu können, die die Instabilität erzeugt.

Anstatt in ständiges Prototyping und physikalische Belastungstests zu investieren, kann die CFD-Simulation noch einmal verwendet werden, um eine Vielzahl von Designvariablen zu testen, um die idealste Konstruktion rotierender Maschinen zu finden.

3. CFD-Simulation für laminare und turbulente Strömung

Turbulenz ist die plötzliche heftige Bewegung von Luft, Wasser oder anderen Flüssigkeiten. Es ist eines der katastrophalsten und unberechenbarsten Wetterphänomene, mit denen Piloten konfrontiert sind. Tatsächlich können extreme Turbulenzen es Piloten unmöglich machen, ihre Flugzeuge zu kontrollieren, und Passagiere sogar schwer verletzen.

CFD-Simulationen verwenden Turbulenzmodelle, um die Auswirkungen von Turbulenzen auf ein CAD-konstruiertes Design vorherzusagen.

Eines der gängigsten Modelle zur Simulation von Turbulenzen ist Generalized k-omega (GEKO) in ANSYS. GEKO hilft bei der Anpassung von Turbulenzmodellen an eine Vielzahl von Anwendungen, indem es Benutzern ermöglicht, einzelne Parameter der Simulation anzupassen, während die Modellkalibrierung beibehalten wird

4. Anwendungen der CFD-Simulation für Heizung, Klimatisierung und Lüftung (HVAC)

Obwohl sie ein übersehener Bestandteil unseres täglichen Lebens sind, erfordern HLK-Systeme, die Luft in unsere Wohnungen und Büros pumpen und aufbereiten, eine intensive Konstruktion und Planung.

Um die Raumluft effektiv zu klimatisieren, den Luftstrom durch einen Raum aufrechtzuerhalten und eine hohe Raumluftqualität (IAQ) zu gewährleisten, müssen HLK-Produkte die Physik der Strömungsdynamik nutzen.

Die Erstellung von HLK-Diffusoren, Lüftungsgeräten und FTUs erfordert in der Regel strenge Tests, um sicherzustellen, dass sie die Luft effektiv zirkulieren und konditionieren und die IAQ-Standards erfüllen.

Aus diesem Grund haben sich viele Hersteller von HLK-Geräten der CFD-Simulation zugewandt, um das Prototyping zu beschleunigen und neue Designs zu validieren. Die CFD-Simulation ermöglicht es Ingenieuren, die potenzielle Leistung ihrer Produkte in verschiedenen Räumen und in verschiedenen Konfigurationen zu analysieren.

5. Batteriesimulation mit CFD

Auf den ersten Blick scheint der Batteriedesignprozess wenig mit Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt und dem HVAC-Design zu tun zu haben – wo der Luftstrom eine entscheidende (und offensichtliche) Rolle in der Kernfunktion eines Produkts spielt.

Das Batteriedesign ist jedoch ein multidisziplinärer Prozess, der mehrere technische Verfahren erfordert – einschließlich chemischer, elektrischer, thermischer und fluidischer Technik. Daher kann die CFD-Simulation eine wichtige Rolle bei der Optimierung der Leistung und Sicherheit von Batterien spielen (während weniger Zeit und Ressourcen für physische Tests verwendet werden).

CFD-Software wie Simulia kann Batterieherstellern helfen, mit 3D zu visualisieren und Probleme zu lösen, die mit schneller Entladung, übermäßiger Umgebungserwärmung und Überladung verbunden sind – was sich nicht nur auf die Batterielebensdauer, sondern auch auf die Verbrauchersicherheit auswirkt.

6. Simulation der Aerodynamik mit CFD

Aerodynamik ist die Lehre davon, wie Luft um Objekte (wie Flugzeuge oder Autos) strömt.

Es ist vielleicht die bekannteste Anwendung von CFD – da Automobildesigner, Luft- und Raumfahrtingenieure und Sportgerätehersteller alle Simulationssoftware verwenden, um den Luftwiderstand und die Reibung von Luft zu reduzieren und gleichzeitig die Effizienz ihrer Produkte zu verbessern.

Abgesehen davon, dass sie aerodynamische Produkte entwerfen können, ohne in viele physische Prototypen zu investieren, ermöglicht die Simulation Ingenieuren, sehr kleine Änderungen an ihrem Design zu testen, um die Leistung zu maximieren – dutzende oder hunderte Male, bevor sie in die Produktion gehen.

7. Simulation von Wärmeübertragung und Wärmemanagement in CFD

Wärmeübertragung und Wärmemanagement ist die Disziplin der Messung, wie sich Wärme durch Feststoff-Flüssigkeits-Designs bewegt (z. B. Rohre, die heiße Flüssigkeiten transportieren) – und wie Designs mithilfe der Prinzipien der Wärmeleitung, Konvektion oder Strahlung optimiert werden können.

Das Wärmemanagement ist entscheidend für die Gewährleistung der strukturellen Integrität und Sicherheit aller Konstruktionen, die mäßige Hitze oder Kälte erfordern. Es kann auch verwendet werden, um die Leistung und Effizienz von Konstruktionen zu optimieren, die Wärme oder Verbrennung zur Energiegewinnung nutzen.

Die meisten professionellen CAD-Softwarepakete (wie SolidWorks) bieten native Unterstützung für die Simulation von Wärmeübertragungsmodellen.

Die CFD-Simulation wird verwendet, um die Wärmeübertragung in allen Bereichen zu optimieren, von der Konstruktion von Automobilmotoren bis hin zur Konstruktion von Kaffeemaschinen. Es ist auch für eine Vielzahl anderer Simulationstypen, die auf dieser Liste erwähnt werden (wie HVAC), von entscheidender Bedeutung – wo die Wärmeübertragung ein integraler Bestandteil der Kernfunktion eines Produkts ist.

8. Rohr- und Ventilsimulation mit CFD

Der Flüssigkeitsstrom kann einen immensen Druck auf Rohre und Ventile ausüben – und zu kritischen Verformungen und Ausfällen führen, wenn er nicht richtig berücksichtigt wird.

Daher müssen Ölraffinerien, Erdgaspipelines und Hausinstallationen alle für den Flüssigkeitsfluss optimiert werden, um Sicherheit zu gewährleisten und langfristige Schäden an teuren Geräten zu vermeiden.

Vor dem Aufkommen der CFD-Simulation erforderte diese Art der Optimierung Trial-and-Error. Rohrleitungssysteme wurden nach besten Schätzungen gebaut und nach dem Versagen verfeinert oder überarbeitet.

Mit der CFD-Simulation können Ingenieure die Leistung eines gesamten Rohrsystems modellieren oder eine einzelne Komponente (wie ein Ventil) isolieren, um die Ausfallwahrscheinlichkeit zu verringern. Die CFD-Simulation könnte auch verwendet werden, um den Ausfall einer alternden Infrastruktur im Nachhinein zu untersuchen, wodurch Ingenieure ein genaueres Bild davon erhalten, was passiert ist.

9. Simulation der Elektronikkühlung mit CFD

Die gesamte heute verwendete Elektronik erfordert ein Wärmemanagement in irgendeiner Form (sei es Kühlkörper, Lüftungsschlitze, Lüfter, thermische Komponenten oder eine Kombination davon). Dies liegt daran, dass Chips wie GPUs und CPUs bei Überhitzung zu Fehlfunktionen führen. Diese Komponenten müssen relativ kühl gehalten werden, um die Leistung aufrechtzuerhalten (normalerweise unter 85 °C).

Ohne umfangreiche Simulationen oder Tests brachten Elektronikhersteller häufig Produkte auf den Markt (wie Telefone, Spielzeug, Computerchips usw.), die aufgrund von Überhitzung ausfielen.

Die CFD-Simulation kann zum Testen und Organisieren der idealsten Platzierung von Komponenten (Kühlkörper, Lüfter usw.) verwendet werden, um sicherzustellen, dass empfindliche Chips nicht überhitzen.

10. Turbomaschinen-CFD-Simulation

Turbomaschinen sind ein Maschinenbaukonzept, das Maschinen beschreibt, die Energie von einem Rotor auf ein Fluid übertragen (wie ein Kompressor oder eine Turbine).

Flugzeugstrahltriebwerke sind ein gängiges Beispiel für Turbomaschinen, da es sich um Gasturbinen handelt, die Schub aus Abgasen erzeugen.

CFD-Software wird umfassend bei der Konstruktion und Optimierung von Turbomaschinen eingesetzt, von der Vorverarbeitung, Modellierung, Vernetzung bis hin zur Nachbearbeitung.

11. CFD-Simulation von Materialien mit hoher Rheologie

Materialien mit hoher Rheologie sind Feststoffe, die sich wie Flüssigkeiten verhalten können, wenn Kräfte und Spannungen auf sie einwirken. Beispiele für solche Materialien sind:

• Kunststoffe
• Polymere
• Glas
• Metalle
• Zement

Durch den Einsatz von Techniken wie Blasformen, Thermoformen und Extrusion können Hersteller diese Feststoffe zu einem Endprodukt formen.

Durch die Anwendung der CFD-Simulation können Hersteller ihre rheologischen Materialdesignprozesse beschleunigen und gleichzeitig den Energie- und Rohstoffbedarf minimieren. Sie können Kosteneinsparungen feststellen, indem sie die Form der Herstellungswerkzeuge ändern, überschüssiges Material reduzieren und schnell Prototypen rheologischer Designs erstellen.

12. Simulation von Reaktionsströmungen und Verbrennung mit CFD

Fließende Fluide, die chemisch reaktiv sind (z. B. bei einem Verbrennungsmotor), werden in der Simulation als „reagierende Strömungen“ bezeichnet.

Diese Arten von Strömungen stellen ein schwieriges physikalisches Problem für Ingenieure dar.

Das Verhalten von reagierenden Flüssigkeiten im Labormaßstab (Millimeter) vorherzusagen, ist eine Sache – aber dies auf Lösungsebene (in Kubiklitern) unter Berücksichtigung von Turbulenzen zu tun, ist immens schwierig.

Und doch ist es ein wichtiges Problem.

Das Verständnis der zugrunde liegenden Chemie und Physik reagierender Strömungen ist entscheidend für die Steigerung der Energieeffizienz, der Kraftstoffflexibilität und der Reduzierung von Emissionen in den Bereichen Automobil, Luft- und Raumfahrt und Energie.

Dies ist ein Bereich, in dem sich die CFD-Simulation auszeichnet. Es kann komplexe, multiphysikalische Probleme wie Reaktionsströmungen bewältigen und Herstellern Einblicke in ihre Produkte geben, die manuell kaum zu berechnen wären, ohne dass teure physikalische Tests erforderlich sind.

13. Inkompressible und kompressible Strömung mit CFD-Simulation

(Quelle:SimScale)

Kompressible Strömung bezieht sich auf eine Fluidströmung, bei der die Dichte nicht konstant ist.

Mit anderen Worten, eine Flüssigkeit wie Sauerstoff, deren Dichte bei Druckänderungen komprimiert oder dekomprimiert werden kann, hat einen komprimierbaren Fluss.

Inkompressible Strömung bezieht sich auf eine Flüssigkeit, deren Dichteänderungen unabhängig vom Druck vernachlässigbar sind.

Wasser, das durch ein Rohr fließt, hat einen inkompressiblen Fluss, da der Druck einen verschwindend geringen Einfluss auf seine Dichte hat.

Beide Strömungsarten stellen Hersteller und Ingenieure vor einzigartige Herausforderungen. Aerodynamik-Ingenieure müssen beispielsweise die Kompressibilität von Sauerstoff (bei unterschiedlich schnellen Objekten) bei ihrer Analyse berücksichtigen. Umgekehrt müssen Industrien, die mit inkompressiblen Flüssigkeiten arbeiten, die heftigen, mächtigen und chaotischen turbulenten Strömungen bei ihren Berechnungen berücksichtigen.

Und im Fall der Luft- und Raumfahrt – wo beide Arten von Berechnungen möglicherweise in einer einzigen Analyse kombiniert werden müssen – können Tests und Planung unglaublich komplex werden.

Aus diesem Grund ist die CFD-Simulation für viele moderne Hersteller eine absolute Notwendigkeit. Software wie SimScale ermöglicht es Ingenieuren, inkompressible und kompressible Strömungen in einer Simulation zu analysieren, indem sie verschiedenen Flüssigkeiten einzigartige Eigenschaften zuweisen.

Abschlussgedanken

Vor dem Aufkommen der Simulation wurden viele der praktischen physikalischen Probleme der Welt durch teure (und zeitaufwändige) physikalische Tests gelöst. Unternehmen, deren Produkte auf strenge Tests verzichteten, zahlten langfristig deutlich mehr mit Produktausfällen und Rückrufaktionen (und Reputationsschäden).

Aber mit dem Aufkommen der Simulationsmodellierung haben Ingenieure und Designer in allen Branchen Zugang zu einer kostengünstigen Möglichkeit erhalten, ihre Produkte unter praktisch allen Bedingungen zu testen.

Insbesondere die Computational Fluid Dynamics ermöglicht es Ingenieuren, Konstruktionen von Produkten zu testen und zu verbessern, bei denen Fluidströmung, Turbulenzen und Wärmeübertragung wichtige Berechnungen sind.

Aber das Testen ist nur ein Teil der Gleichung.

Die Möglichkeit, CAD-Konstruktionen schnell und effizient zu aktualisieren, um Probleme zu beheben, die durch die CFD-Analyse erkannt wurden, ist immer noch ein Problem für Konstrukteure – da dies oft eine Menge manueller Nachbearbeitung erfordert.

Um die Einführung von Simulationen in großem Maßstab in allen Branchen zu ermöglichen, müssen Simulationsanwendungen benutzerfreundlicher werden.

Wenn Sie ein Designer oder Ingenieur sind, der mit CAD und Simulation arbeitet, sind Sie mit dem Arbeitsaufwand, der erforderlich ist, um Produkte auf der Grundlage von Simulationsergebnissen umzugestalten, bestens vertraut. Die meisten CFD-Programme aktualisieren Ihr CAD-Modell nicht. Stattdessen geben sie Ihnen ein „Vektorfeld“, um die erforderliche Verformung anzuzeigen, um Ihr Modell zu optimieren. Es liegt dann in der Verantwortung des Designers, das Design manuell zu ändern.

Dieser manuelle Neugestaltungsprozess kann mithilfe des BRep-Morphing-Toolsets von Spatial automatisiert werden. Bei einem gegebenen Vektorverformungsfeld (ein Satz von Vorher- und Nachher-Punkten) können Sie mit diesem Toolset jede BRep-Geometrie automatisch morphen. So können Ingenieure Simulationsergebnisse problemlos wieder in ihre Konstruktion integrieren.