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Strömungssimulation

Strömungssimulation

Die numerische Strömungsmechanik (CFD: computational fluid dynamics), ist eine etablierte Methode der Strömungsberechnung. Sie dient zur Berechnung von Strömungsvorgängen in den verschiedensten Anwendungsbereichen. In vielen Bereichen ist die Strömung sogar der maßgebende Faktor.

Typische Anwendungen sind zum Beispiel:

  • Aktive und passive Kühlung (Elektrotechnik, Maschinenbau)
  • Bestimmung von Wärmeübergangskoeffizienten (HTC)
  • Klimatisierung und Wärmehaushalt (Gebäude, Anlagen, Messtechnik2)
  • Bestimmung der benötigten Leistung von Lüftern und Kompressoren
  • Berechnung der Aufenthaltsdauer (RTD) von Fluiden (Abzugshauben)
  • Abführen und Trennen von Fluiden (Be- und Entlüftungseinrichtungen, Filter)
  • Bestimmen von Auftriebs- und Widerstandsbeiwerten (Luftfahrt)
  • Ermitteln von Druckverlusten (durchströmte Bauteile, Rohrleitungen)
  • Berechnung von chemischen Reaktionen (Energietechnik)
  • Überschall- und Nahvakuumbereich (Messgeräte)
  • Mehrphasenströmung (Tankschwappen)
  • Mehrkomponentenströmung (Rauchgas, Abzugshauben, Mischvorgänge)
  • Strömung mit Partikeln (Kläranlagen, Eisablagerung)
  • Tau- und Kondensationsprozesse (Kühltürme)
  • Rückwirkung von verformten Strukturen auf die Strömung (FSI, Fluid Struktur Interaktion)

Entdecken Sie das Potential Ihres durch- oder umströmten Bauteils, verbessern Sie die Kühlung und vermeiden Sie ungewünschte Vibrationen oder Ablagerungen durch Strömungsvorgänge.

Gerne beraten wir Sie persönlich zu Ihrer Anwendung.

Details zu folgenden Punkten finden Sie hier:

Kompressible, Inkompressibel, Laminar, Turbulent

Umströmung und Durchströmung

Die Umströmung spielt bei sich schnell bewegenden Fahrzeugen ebenso eine Rolle wie bei hohen Bauwerken, vorzugsweise mit Leichtbaustruktur (Brücken, Kühltürme, Teleskope). Hier kann die angreifende Windlast einen großen Einfluss auf die Standfestigkeit haben. Es ist wichtig zu wissen, mit welchen Kräften zu rechnen ist (Widerstand, Auftrieb, u.s.w.), genauso wie die Ablösefrequenz von Wirbeln zu kennen, bis hin zu den Einflüssen, die das umströmte Gebäude auf seine Umgebung ausübt. Bei der Durchströmung geht es meist um die Reduktion des Druckverlustes und um die Kenntnis der Strömung an sich (Totzonen, Ablösungen, Wirbelbildung).

Typische Anwendungen:

  • Windlasten an Bauwerken
  • Widerstand und Auftrieb an Bauteilen und Bauwerken
  • Wirbelablösung an Strömungshindernissen, z.B. an Masten
  • Ausnutzen und Vermeiden von Turbulenzen
  • Wirbelschleppen, z.B. an Flügeln oder Gebäudekanten
  • Bestimmung der Windgeschwindigkeiten an Engstellen
  • Minimieren von Druckverlusten
  • Positionierung von Messstellen
  • u.v.m.

Konzentrationsverteilung, Dichteunterschiede

Mehrkomponentenströmung

Diese besteht aus mehreren Fluiden, die sich ineinander lösen lassen, also zum Beispiel Gasgemische, wie Rauchgase. Typische Beispiele sind aufsteigende Gasgemische (Abzugshauben, Rauchgas, …). Hier kann die CFD Aussagen über den Grad der Durchmischung, die Temperaturen, die Verteilung und Konzentration der Fluide sowie deren Aufenthaltsdauer liefern.

Typische Anwendungen:

  • Rauchgasverteilungen
  • Bestimmung von Konzentrationen bestimmter Fluidbestandteile
  • Verteilungsdauer / Aufenthaltsdauer

Blasenbildung, Schwappen, Wellen

Mehrphasenströmung

Diese besteht aus mehreren Fluiden, die sich nicht ineinander lösen lassen, also zum Beispiel Öl und Wasser oder Wasser und Luft. Typische Beispiele sind aufsteigende Luftblasen in einem Klärbecken oder das Schwappen (Sloshing) einer Flüssigkeit in einem Tank. Hier kann die CFD Aussagen über den Grad der Durchmischung, die Temperaturen oder die Belastung der Tankwand liefern. Auch die Berechnung von Partikeln innerhalb eines Fluids fällt in diesen Bereich. So kann zum Beispiel die Ablagerung von in der Strömung mitgeführten Partikeln simuliert werden.

Typische Anwendungen:

  • Tankschwappen
  • Aufsteigende Gasblasen in Flüssigkeiten
  • Ablagerung von mitgeführten Partikeln in Absatzbecken

Geringe Dichte, Hohe Druckdiffernz und Temperaturen

Nahvakuum und Überschall

Eine unserer Spezialitäten ist die Strömungssimulation im Grenzbereich Nahvakuum mit Knudsen-Zahlen von 0,1 und ggf. darüber. Typisch für Nahvakuumanwendungen ist auch eine hohe Druckdifferenz, die meist zu einer Überschallströmung führt. Gängige Anwendungsfälle sind Überschallströmungen in Messgeräten oder Druckstöße in Rohrleitungen.  

Typische Anwendungen:

  • Messgeräte mit Bauteilen im Nahvakuumbereich
  • Anlagen mit hohen Druckdifferenzen
  • Messgeräte und Instrumente bei hohen Geschwindigkeiten
  • Strömungen durch kleine Spalte und Öffnungen (bei ausreichender Druckdifferenz)
  • u.v.m.

Fluid-Struktur-Interaktion, Schwappen

Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE)

Die ALE-Methode verknüpft zwei Methoden der Modellabbildung und kombiniert deren Vorteile, so dass eine gleichzeitige Abbildung von Kontakt und starken Medienbewegungen,  z.B. bei der Interaktion von festen Strukturen mit flüssigen Medien, ermöglicht wird. Bei der in der Strukturmechanik meist verwendeten Lagrange-Methode sind Knoten und Elemente an das Material gebunden, während die in der Strömungsdynamik meist verwendete Euler-Methode ein ortsfestes Netz verwendet, welches von Fluiden durchströmt werden kann.

Typische Anwendungen:

  • Fluid-Struktur-Kopplung
  • Schwappen eines Fluids

Partikel, Schüttgut, Netzfrei

Diskrete-Elemente-Methode (DEM)

Schüttgut besitzt bei einem Fließvorgang ein mechanisch schwer zu beschreibendes Verhalten. Durch die einzelnen Partikel entstehen ständig neue Kontakte der Teile untereinander. Diese erzeugen unter anderem Reibkräfte und Stützwirkungen, die das Fließverhalten beeinflussen und verändern können. Um dieses Verhalten in einer numerischen Simulation abbilden zu können, lässt sich die Diskrete-Element-Methode (DEM oder DE-Methode) anwenden.

Die DE-Methode ist eine numerische, netzfreie Simulationsmethode, bei der die Bewegungen und Interaktionen einer Vielzahl von kleinen Partikeln berechnet werden können. Relative Bewegungen einzelner Partikel zueinander sowie deren Kontaktkräfte untereinander werden bei dieser Abbildung ebenso berücksichtigt wie die Adhäsion, die eine Anziehungskraft zwischen Partikeln beschreibt und somit auch die Simulation feuchter Medien ermöglicht.

Typische Anwendungen:

  • Diskrete-Elemente-Methode
  • Schüttgut
  • Mischvorgänge

Detonation, Deflagration, Verpuffung

Staubexplosion

Ein Spezialfall gekoppelter Methoden ist die Untersuchung von Staubexplosionen. Dabei handelt es sich um eine Deflagration, die sich von der Detonation durch die wesentlich geringeren Strömungsgeschwindigkeiten (Unterschall) und kleineren Maximaldrücke (< 12 bar) unterscheidet. Für die Explosion notwendig sind ein brennbares Material (z.B. Mehlstaub, Metallstaub, Schmutzrückstände, etc.), Sauerstoff und eine Zündquelle.

Mit einer FE-Analyse können teure und zeitaufwändige Versuche reduziert und Schwachstellen aufgezeigt werden. Zudem ergibt sich aus der Simulation ein tieferes Systemverständnis, das bei Neuentwicklungen hilfreich ist.

Typische Anwendungen:

  • Behälter, Rohrleitungen
  • Druckermittlung
  • ALE-Methode
  • Filteranlagen