Computational Fluid Dynamics (CFD) meistern: Anwendungen & branchenübergreifende Auswirkungen

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

Von effizienten Wegen, einen SoC (System on a Chip) kühl genug zu halten, bis hin zur Unterstützung von Rennwagen, um noch einige Sekunden zu sparen – CFD bleibt ein mächtiges Werkzeug für Simulation und Optimierung.

 

Abbildung 1. CFD wird oft mit Luft- und Raumfahrt sowie Automobildesign assoziiert, findet aber Anwendung in verschiedenen Branchen, darunter Elektromotoren, Robotik, Batterien und Thermomanagement. Bild mit freundlicher Genehmigung von Siemens

 

Was ist Computational Fluid Dynamics (CFD)?

CFD ist ein numerisches Simulations- und Modellierungswerkzeug, basierend auf den Prinzipien der Strömungsmechanik. Es nutzt numerische Methoden und Algorithmen, um Probleme mit Flüssigkeitsströmungen zu lösen.

Dabei ist wichtig zu beachten, dass Fluide nicht auf Flüssigkeiten beschränkt sind. Fluide umfassen auch Gase wie Luft. CFD kann Flüssigkeitsströmung, chemische Reaktionen, Phasenwechsel, Wärme- und Stoffübertragung sowie Flüssigkeiten, Gase und Feststoffe simulieren, die durch ein System strömen.

 

Wie CFD funktioniert: Die Grundlagen

Die primären Governing Equations sind die Kontinuitätsgleichung (Massenerhaltung), Newtons Zweites Gesetz (Impulserhaltung) und der Erste Hauptsatz der Thermodynamik (Energieerhaltung). Die Schlüsselvariablen sind Geschwindigkeit, Druck, absolute Temperatur sowie Dichte, Wärmeleitfähigkeit, Enthalpie und Viskosität.

 

Abbildung 2. Strömungssimulation veranschaulicht den Fluss von Flüssigkeitsteilchen durch ein System bei Interaktion mit Feststoffen, anderen Flüssigkeiten und Wärme. Bild mit freundlicher Genehmigung von Autodesk

 

Ziel der CFD-Simulation ist es, Geschwindigkeit, Druck und Temperatur an jedem Punkt im Strömungsregime zu verstehen.

 

Ergebnisse der CFD-Modellierung

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

Mit der stetig wachsenden Rechenleistung und Grafikfähigkeiten können Visualisierungen in 3D manipuliert werden und überzeugende Bilder, Videos und Animationen erzeugen, die Anwendern helfen, Daten zu interpretieren und sie nicht-technischen Zielgruppen zu vermitteln.

 

Was ist das am weitesten verbreitete CFD-Modell?

Das am weitesten verbreitete Modell in der CFD ist FVM (Finite Volume Model). Streng genommen ist es eine Diskretisierungsmethode, bei der das Fluidevolumen in endliche Kontrollvolumen unterteilt wird. Diese individuellen Kontrollvolumen sind um einen Knoten im Zentroid des Volumens zentriert.

Die Differentialform der Governing Equations des Modells wird integriert, und die Variable von Interesse zwischen den Zentroiden wird mithilfe von Interpolationsprofilen ermittelt. Die resultierende Gleichung, bekannt als diskretisierte Gleichung, drückt dann das Erhaltungsprinzip für die Variable innerhalb des Kontrollvolumens aus.

FVM ist aufgrund seiner Vielseitigkeit und weil die Lösung die Erhaltung von Größen wie Energie, Spezies, Impuls oder Masse genau erfüllt, sehr beliebt. Erhaltung wird sowohl für einzelne Kontrollvolumen als auch für den gesamten rechnerischen Bereich exakt erfüllt.

 

Abbildung 3. CFD findet umfangreiche Anwendung im Thermomanagement von Elektronik, wie in diesem Beispiel eines modularen Chassis für missionskritische Anwendungen. Bild mit freundlicher Genehmigung von ANSYS

 

Andere Methoden, die ebenfalls mit CFD verwendet werden können, sind die Finite-Elemente-Methode (FEM), die typischerweise mit Festkörpermechanik assoziiert wird, und Finite-Element-Analysis (FEA).

Es gibt auch die FDM (Finite-Difference-Methode); diese wird nicht so häufig für CFD wie FVM und FEM verwendet, findet aber umfangreiche Anwendung in Wetterberechnungen, Seismologie und Spezialeffekten für Film und Fernsehen.

 

Wofür wird Computational Fluid Dynamics verwendet?

Im allgemeinen Sinne optimiert, analysiert und verifiziert CFD Designs mit Flüssigkeitsströmung, bevor teure Prototypen hergestellt werden. Kostspielige physische Tests werden an diesen Prototypen durchgeführt.

 

Im Allgemeinen kann CFD verwendet werden für:

• Batteriesimulation
• Elektromotorkühlung
• Rheologie
• Energieeffizienz
• Thermomanagement
• Flüssigkeits-Struktur-Interaktion
• Formoptimierung
• Turbulenzmodellierung
• HLK (HVAC)
• Turbinenblattoptimierung
• Flugzeug-/Luft- und Raumfahrtdesign
• Automobildesign

 

Konkret wird CFD eingesetzt für:

• Optimierung effektiven Thermomanagements für SoCs
• Entwicklung von Fortbewegung für bio-inspirierte Unterwasserroboter
• Design weicher Roboter-Manipulatoren
• Engineering wassergekühlter Elektromotoren
• Untersuchung von Rohöl-Verschmutzung auf Wärmeübertragungsflächen
• Thermomanagement eines robusten modularen Chassis für militärische Kommunikationselektronik
• Leistungsoptimierung von Rennwagen

Zusätzlich kann CFD mit FEA kombiniert werden, um komplexe Wechselwirkungen zwischen Fluiden, Thermodynamik, Wärme, Elektrizität, Magnetismus und Strukturanalyse zu erfassen.

 

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

 

Computational Fluid Dynamics Software

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

Nicht alle CFD-Pakete sind kommerziell: OpenFOAM ist ein kostenloses, Open-Source-CFD-Paket, das auf Linux, macOS und Windows 10 läuft. Außerdem gibt es browserbasierte CFD-Systeme wie SimScale, das auf OpenFOAM basiert. Es gibt auch leistungsstarke Post-Processing-Tools wie Ceetron Desktop Components, die CFD-Lösungsdaten zum Leben erwecken.

Richtig ausgeführt, kann CFD das Verhalten von Flüssigkeiten und ihre Wechselwirkungen mit Feststoffen, Wärme, Phasenwechseln und chemischen Reaktionen aufdecken. CFD wird in vielen verschiedenen Branchen eingesetzt, unterstützt bei der Optimierung von Designs und spart Zeit und Geld bei Prototyping und physischen Tests. Von Kraftstoffdüsen in Strahltriebwerken und Rennwagenkarosserien bis hin zu Soft Robotics und Luftkühlsystemen von Rechenzentren – CFD hat sich im Engineering-Prozess immer wieder als unschätzbar erwiesen.