Computational Fluid Dynamics (CFD) verstehen

Computational Fluid Dynamics (oft abgekürzt CFD) wird in verschiedenen Branchen und Anwendungen eingesetzt.

Von der Entwicklung effizienter Methoden, um ein SoC (System on a Chip) kühl genug zu halten, um richtig zu funktionieren, bis hin zur Unterstützung von Rennwagen, die ihre Zeit ein paar Sekunden verkürzen, bleibt die numerische Strömungssimulation ein leistungsstarkes Werkzeug für Simulation und Optimierung.

Abbildung 1. CFD wird oft mit Luft- und Raumfahrt- und Automobildesign in Verbindung gebracht, aber es gilt für verschiedene Branchen, darunter Elektromotoren, Robotik, Batterien und Wärmemanagement. Bild mit freundlicher Genehmigung von Siemens

Was ist Computational Fluid Dynamics (CFD)?

CFD ist ein numerisches Simulations- und Modellierungswerkzeug, das auf fluiddynamischen Prinzipien basiert. Es nutzt numerische Methoden und Algorithmen, um Probleme mit der Strömung von Flüssigkeiten zu lösen.

Bei dieser Erklärung ist es wichtig zu bedenken, dass Flüssigkeiten nicht auf Flüssigkeiten beschränkt sind. Flüssigkeiten umfassen auch Gase wie Luft. CFD kann Flüssigkeitsströmungen, chemische Reaktionen, Phasenänderungen, Wärme- und Stoffübertragung sowie Flüssigkeiten, Gase und Feststoffe simulieren, während sie durch ein System strömen.

So funktioniert Computational Fluid Dynamics (CFD):Die Grundlagen

Die wichtigsten maßgeblichen Gleichungen sind die Kontinuitätsgleichung (Massenerhaltung), Newtons Zweiter Hauptsatz (Impulserhaltung) und der Erste Hauptsatz der Thermodynamik (Energieerhaltung). Die Schlüsselvariablen sind Geschwindigkeit, Druck und absolute Temperatur sowie Dichte, Wärmeleitfähigkeit, Enthalpie und Viskosität.

Abbildung 2. Die Strömungssimulation veranschaulicht den Fluss von Flüssigkeitspartikeln durch ein System, während sie mit Feststoffen, anderen Flüssigkeiten und Wärme interagieren. Bild mit freundlicher Genehmigung von Autodesk

Die CFD-Simulation zielt darauf ab, Geschwindigkeit, Druck und Temperatur an jedem Punkt innerhalb des Strömungsregimes zu erfassen.

Ergebnisse der CFD-Modellierung

CFD-Modellierungsergebnisse können nachbearbeitet werden, um informative Visualisierungen bereitzustellen, die Stromlinien umfassen können, die die Geschwindigkeit (Geschwindigkeit und Richtung) des Flüssigkeitsstroms darstellen, Karten mit Temperaturverteilungen und Partikelverfolgung, die die Bewegung eines einzelnen Flüssigkeitspartikels (um nur einige zu nennen) ).

Mit der ständigen Zunahme der Rechenleistung und der Grafikfähigkeiten können Visualisierungen in 3D manipuliert und überzeugende Bilder, Videos und Animationen generiert werden, um Benutzern zu helfen, die Daten zu interpretieren und sie mit nicht technisch versierten Zielgruppen zu teilen.

Welches ist das am weitesten verbreitete Computational Fluid Dynamics-Modell?

Das am weitesten verbreitete CFD-Modell ist FVM, was für Finite Volume Model steht. Streng genommen handelt es sich um eine Diskretisierungsmethode, bei der das Flüssigkeitsvolumen in endliche Kontrollvolumina unterteilt wird. Diese einzelnen Kontrollvolumina sind um einen Knoten zentriert, der sich im Schwerpunkt des Volumes befindet.

Die Differentialform der maßgebenden Gleichungen des Modells wird integriert, und die interessierende Variable zwischen den Schwerpunkten wird unter Verwendung von Interpolationsprofilen erhalten. Die resultierende Gleichung, bekannt als Diskretisierung oder diskretisierte Gleichung , drückt dann das Erhaltungsprinzip für die Variable innerhalb des Kontrollvolumens aus.

FVM ist wegen seiner Vielseitigkeit sehr beliebt und weil die Lösung die Erhaltung von Größen wie Energie, Spezies, Impuls oder Masse erfüllt. Die Erhaltung wird sowohl für einzelne Kontrollvolumina als auch für den gesamten Berechnungsbereich exakt erfüllt.

Abbildung 3. CFD findet umfangreiche Anwendung im Wärmemanagement von Elektronik, wie in diesem Beispiel eines modularen Chassis, das für geschäftskritische Anwendungen verwendet wird. Bild mit freundlicher Genehmigung von ANSYS

Andere Methoden, die auch mit CFD verwendet werden können, sind die Finite-Elemente-Methode (FEM), die normalerweise mit der Festkörpermechanik verbunden ist, und die Finite-Elemente-Analyse (FEA).

Es gibt auch die FDM- oder Finite-Different-Methode; Diese spezielle Methode wird für CFD nicht so häufig verwendet wie FVM und FEM, findet jedoch umfassende Anwendung in Wetterberechnungen, Seismologie und Spezialeffekten für Film und Fernsehen.

Wofür wird Computational Fluid Dynamics verwendet?

Im Allgemeinen optimiert, analysiert und verifiziert CFD Designs mit Fluidströmung, bevor teure Prototypen hergestellt werden. An diesen Prototypen werden kostspielige physikalische Tests durchgeführt.

Im Allgemeinen kann CFD verwendet werden für:

• Batteriesimulation
• Elektromotorkühlung
• Rheologie
• Energieeffizienz
• Wärmemanagement
• Fluid-Struktur-Interaktion
• Formoptimierung
• Turbulenzmodellierung
• HVAC
• Optimierung von Turbinenschaufeln
• Flugzeug-/Luft- und Raumfahrtdesign
• Automobildesign

Genauer gesagt wird CFD verwendet, um:

• Optimierung des effektiven Wärmemanagements für SoCs
• Entwicklung der Fortbewegung für bioinspirierte Unterwasserroboter
• Design von Softroboter-Manipulatoren
• Engineering wassergekühlter Elektromotoren
• Studie zur Verschmutzung von Wärmeübertragungsflächen durch Rohöl
• Thermisches Management eines robusten modularen Chassis für militärische Kommunikationselektronik
• Leistungsoptimierung von Rennwagen

Darüber hinaus kann CFD mit FEA verwendet werden, um komplexe Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeiten, Thermodynamik, Wärme, Elektrizität, Magnetismus und Strukturanalyse zu erfassen.

Abbildung 4. CFD kann die Energieeffizienz von Rechenzentren optimieren und liefert Informationen über Schlüsselmerkmale wie den Kühlluftstrom, der benötigt wird, um die Temperaturen unter Kontrolle zu halten. Bild mit freundlicher Genehmigung von Autodesk

Computergestützte Fluiddynamik-Software

Es gibt eine Vielzahl von CFD-Softwarepaketen auf dem Markt. ANSYS Fluent und CFX sind beispielsweise zwei bekannte CFD-Softwarepakete. Außerdem gibt es PTC Creo Simulation, Siemens Simcenter STAR-CCM+, Flotherm und Autodesk CFD.

Allerdings sind nicht alle CFD-Pakete kommerziell:OpenFOAM ist ein kostenloses Open-Source-CFD-Paket, das auf Linux, macOS und Windows 10 läuft. Darüber hinaus gibt es browserbasierte CFD-Systeme wie SimScale, die zufällig auf . basieren OpenFOAM. Es gibt auch leistungsstarke Nachbearbeitungstools wie Ceetron Desktop Components, die Daten aus CFD-Lösungen zum Leben erwecken.

Bei richtiger Ausführung kann es das Verhalten von Flüssigkeiten und ihre Wechselwirkung mit Feststoffen, Wärme, Phasenänderungen und chemischen Reaktionen aufdecken. CFD wird in vielen verschiedenen Branchen eingesetzt, hilft bei der Optimierung von Designs und spart Zeit und Geld für Prototyping und physikalische Tests. Von Kraftstoffdüsen in Düsentriebwerken und Rennwagenkarosserien bis hin zu Softrobotik und Luftkühlungssystemen für Rechenzentren hat sich CFD während des Entwicklungsprozesses immer wieder als unschätzbar erwiesen.