13 wesentliche CFD-Anwendungen: Leistung in Luftfahrt, HLK und Elektronik steigern

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

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

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

1. CFD-Simulation zur Kavitationsvermeidung

Kavitation ist die Bildung von Dampfblasen in einer Flüssigkeit und tritt auf, wenn sich ein Objekt (wie ein Propeller) durch die Flüssigkeit bewegt. Kavitation kann Propeller, Düsen, Turbinen, Überläufe und Ventile beschädigen.

Kavitation ist ein kritisches Strömungsmechanikproblem, das eine breite Palette von Engineering-Bereichen betrifft.

Das größte Problem?

Es ist sehr schwierig, kavitationsbedingte Schäden an einem Bauteil während physischer Belastungstests zu erkennen – weil der Schaden allmählich ist und keine offensichtlichen Auswirkungen zeigt, bis er einen kritischen Schwellenwert erreicht.

Zum Beispiel ist eine Möglichkeit, Kavitationsschäden an einem Propeller zu messen, die Verwendung von Instrumenten zur Messung von Vibrationen und Geräuschen. Die meisten Instrumente sind jedoch nicht empfindlich genug, um diese Art von Schaden genau zu messen.

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

2. Simulation rotierender Maschinen mit CFD

Rotierende Maschinen wie Verdichter, Dampfpumpen, Gasturbinen und Turboexpander haben eines gemeinsam: die zyklische Last, die auf die Struktur wirkt.

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

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

Einmal mehr kann CFD-Simulation anstelle von ständigem Prototyping und physischen Belastungstests verwendet werden, um eine Vielzahl von Designvariablen zu testen und die ideale 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. Sie ist eines der verheerendsten und unvorhersehbarsten Wetterphänomene, denen Piloten ausgesetzt sind. Tatsächlich kann extreme Turbulenz es für Airline-Piloten unmöglich machen, ihre Flugzeuge zu kontrollieren, und sogar schwere Verletzungen bei Passagieren verursachen.

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

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

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

Trotz ihrer als selbstverständlich hingenommenen Allgegenwart in unserem täglichen Leben erfordern HLK-Systeme, die Luft in unsere Häuser und Büros pumpen und konditionieren, intensive Ingenieurarbeit und Planung.

Um die Luft eines Raums effektiv zu konditionieren, den Luftstrom durch einen Raum aufrechtzuerhalten und eine hohe Innenraumluftqualität (IAQ) zu gewährleisten, müssen HLK-Produkte die Physik der Strömungsmechanik nutzen.

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

Daher haben viele HLK-Gerätehersteller auf CFD-Simulation gesetzt, um das Prototyping und die Validierung neuer Designs zu beschleunigen. CFD-Simulation ermöglicht es Ingenieuren, die potenzielle Leistung ihrer Produkte in verschiedenen Räumen und Konfigurationen zu analysieren.

5. Batteriesimulation mit CFD

Auf den ersten Blick scheint der Batterieentwicklungsprozess wenig mit Luft- und Raumfahrt- oder HLK-Design gemeinsam zu haben – wo Luftströmung eine lebenswichtige (und offensichtliche) Rolle in der Kernfunktion eines Produkts spielt.

Aber Batteriedesign ist ein multidisziplinärer Prozess, der mehrere Ingenieurspraktiken erfordert – einschließlich chemischer, elektrischer, thermischer und fluidischer Ingenieurwissenschaft. Und als solche kann CFD-Simulation eine wichtige Rolle bei der Optimierung der Leistung und Sicherheit von Batterien spielen (wobei weniger Zeit und Ressourcen für physische Tests aufgewendet werden).

CFD-Software wie Simulia kann Batterieherstellern helfen, mit 3D zu visualisieren und Probleme im Zusammenhang mit schneller Entladung, übermäßiger Umgebungswärme und Überladung zu lösen – was nicht nur die Batterielebensdauer, sondern auch die Verbrauchersicherheit beeinflusst.

6. Aerodynamik-Simulation mit CFD

Aerodynamik ist die Untersuchung, wie Luft um Objekte (wie Flugzeuge oder Automobile) strömt.

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

Abgesehen davon, aerodynamische Produkte ohne Investition in viele physische Prototypen entwerfen zu können, ermöglicht 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. Wärmeübergangs- und Thermomanagement-Simulation in CFD

Wärmeübergang und Thermomanagement ist die Disziplin, die misst, wie Wärme durch fest-flüssige Designs (z. B. Rohre, die heiße Flüssigkeit transportieren) wandert – und wie Designs mit den Prinzipien der Wärmeleitung, Konvektion oder Strahlung optimiert werden können.

Thermomanagement ist entscheidend für die Gewährleistung der strukturellen Integrität und Sicherheit von Designs, die moderate Hitze oder Kälte erfordern. Es kann auch verwendet werden, um die Leistung und Effizienz von Designs zu optimieren, die Hitze oder Verbrennung für Energie nutzen.

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

CFD-Simulation wird verwendet, um Wärmeübergang in allem zu optimieren, von Automobilmotordesigns bis hin zu Kaffeemaschinendesigns. Sie ist auch für eine Vielzahl anderer auf dieser Liste genannter Simulationstypen (wie HLK) von entscheidender Bedeutung – wo Wärmeübergang ein integraler Bestandteil der Kernfunktion eines Produkts ist.

8. Rohr- und Ventilsimulation mit CFD

Flüssigkeitsströmung kann enormen Druck auf Rohre und Ventile ausüben – und zu kritischer Verformung und Versagen führen, wenn sie nicht ordnungsgemäß berücksichtigt wird.

Daher müssen Ölraffinerien, Erdgaspipelines und die häusliche Installation alle für Flüssigkeitsströmung optimiert werden, um Sicherheit zu gewährleisten und langfristige Schäden an teurer Ausrüstung zu verhindern.

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

Mit CFD-Simulation können Ingenieure die Leistung eines gesamten Rohrsystems modellieren oder eine einzelne Komponente (wie ein Ventil) isolieren, um die Ausfallwahrscheinlichkeit zu verringern. CFD-Simulation könnte auch verwendet werden, um das Versagen alternder Infrastruktur nachträglich zu untersuchen und Ingenieuren ein genaueres Bild davon zu geben, was passiert ist.

9. Elektronikkühlung mit CFD simulieren

Alle heute verwendeten Elektronikgeräte erfordern eine Form von Wärmemanagement (ob es sich um Kühlkörper, Lüftungsschlitze, Lüfter, thermische Komponenten oder eine Kombination handelt). Dies liegt daran, dass Chips wie GPUs und CPUs zu Fehlfunktionen neigen, wenn sie überhitzen. Diese Komponenten müssen relativ kühl gehalten werden, um die Leistung aufrechtzuerhalten (normalerweise unter 85 °C).

Ohne umfangreiche Simulation oder Tests würden Elektronikhersteller häufig Produkte auf den Markt bringen (wie Handys, Spielzeug, Computerchips usw.), die aufgrund von Überhitzung ausfielen.

CFD-Simulation kann verwendet werden, um die ideale Platzierung von Komponenten (Kühlkörper, Lüfter usw.) zu testen und zu organisieren, um sicherzustellen, dass empfindliche Chips nicht überhitzen.

10. Turbomaschinen-CFD-Simulation

Turbomaschinen ist ein mechanisches Engineering-Konzept, das Maschinen beschreibt, die Energie von einem Rotor auf ein Fluid übertragen (wie ein Verdichter oder eine Turbine).

Flugzeugtriebwerke sind ein häufiges Beispiel für Turbomaschinen, da sie Gasturbinen sind, die Schub aus Abgasen erzeugen.

CFD-Software wird umfassend in Design und Optimierung von Turbomaschinen eingesetzt, von 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 angewendet werden. Beispiele für solche Materialien sind:

• Kunststoffe
• Polymere
• Glas
• Metalle
• Zement

Durch den Einsatz von Techniken wie Blasformen, Thermoformen und Extrudieren können Hersteller diese Feststoffe in ein Endprodukt formen.

Durch die Anwendung von CFD-Simulation können Hersteller ihre rheologischen Materialdesignprozesse beschleunigen, während sie Energie- und Rohstoffbedarf minimieren. Sie können Kosteneinsparungen durch Änderung der Form von Fertigungsmatrizen, Reduzierung von Überschussmaterial und schnelles Prototyping rheologischer Designs identifizieren.

12. Simulation reagierender Strömungen und Verbrennung mit CFD

Strömende Fluide, die chemisch reaktiv sind (im Fall eines Verbrennungsmotors zum Beispiel), werden in der Simulation als „reagierende Strömungen“ bezeichnet.

Diese Arten von Strömungen stellen ein schwieriges Physikproblem für Ingenieure dar.

Das Verhalten reagierender Fluide auf einer chemischen Labor-Skala (Millimeter) vorherzusagen, ist eine Sache – dies auf einer Lösungs-Skala (in Kubikliter) unter Berücksichtigung von Turbulenz 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 Emissionsreduzierung in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- und Energiesektoren.

Dies ist ein Bereich, in dem CFD-Simulation glänzt. Sie kann komplexe Multi-Physik-Probleme wie reagierende Strömungen bewältigen – und Herstellern Einblicke in ihre Produkte geben, die manuell fast unmöglich zu berechnen wären – ohne teure physische Tests.

13. Inkompressible und kompressible Strömung mit CFD-Simulation

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

Mit anderen Worten: Ein Fluid wie Sauerstoff, dessen Dichte durch Druckänderungen komprimiert oder dekomprimiert werden kann – hat eine kompressible Strömung.

Inkompressible Strömung bezieht sich auf ein Fluid, dessen Dichteänderungen vernachlässigbar sind, unabhängig vom Druck.

Wasser, das durch ein Rohr fließt, hat eine inkompressible Strömung, da Druck einen unendlich kleinen Einfluss auf seine Dichte hat.

Beide Strömungstypen stellen einzigartige Herausforderungen für Hersteller und Ingenieure dar. Ingenieure, die an Aerodynamik arbeiten, müssen beispielsweise die Kompressibilität von Sauerstoff (bei Objekten, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten reisen) in ihre Analyse einbeziehen. Umgekehrt müssen Branchen, die mit inkompressiblen Flüssigkeiten arbeiten, die gewalttätigen, leistungsstarken und chaotischen turbulenten Strömungen in ihre Berechnungen einbeziehen.

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

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

Abschließende Gedanken

Vor dem Aufkommen von Simulation wurden viele der praktischen Physikprobleme der Welt mit teuren (und zeitaufwendigen) physischen Tests gelöst. Unternehmen, deren Produkte auf rigorose Tests verzichteten, zahlten langfristig erheblich mehr mit Produktausfällen und Rückrufen (und Reputationsschäden).

Mit dem Aufkommen von Simulationsmodellierung haben Ingenieure und Designer aller Branchen Zugang zu einer kostengünstigen Möglichkeit erhalten, ihre Produkte unter praktisch beliebigen Bedingungen zu testen.

Computational Fluid Dynamics ermöglicht es Ingenieuren insbesondere, Designs von Produkten zu testen und zu verbessern, bei denen Fluiddynamik, Turbulenz und Wärmeübergang entscheidende Berechnungen sind.

Aber Testen ist nur ein Teil der Gleichung.

In der Lage zu sein, CAD-Designs schnell und effizient zu aktualisieren, um Probleme zu beheben, die durch CFD-Analyse gekennzeichnet wurden, ist immer noch ein Problem für Designer – da es oft viel manuelle Nacharbeit erfordert.

Um die großflächige Einführung von Simulation in allen Branchen zu ermöglichen, müssen Simulationsanwendungen benutzerfreundlicher werden.

Wenn Sie ein Designer oder Ingenieur sind, der mit CAD und Simulation arbeitet, sind Sie vertraut mit dem Arbeitsaufwand, der erforderlich ist, um Produkte basierend auf Simulationsergebnissen neu zu gestalten. Die meisten CFD-Software wird Ihr CAD-Modell nicht aktualisieren. Stattdessen geben sie ein „Vektorfeld“ an, das die erforderliche Verformung zur Optimierung Ihres Modells zeigt. Es liegt dann in der Verantwortung des Designers, das Design manuell zu ändern.

Dieser manuelle Neugestaltungsprozess kann durch die Verwendung von Spatials BRep-Morphing-Toolset automatisiert werden. Gegeben ein Vektorfeld der Verformung (eine Menge von Vorher- und Nachher-Punkten), ermöglicht dieses Toolset, jede BRep-Geometrie automatisch zu morphieren. So können Ingenieure Simulationsergebnisse einfach in ihr Design zurückführen.