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Strömungssimulation (CFD)

entrauchung02Wir bieten Ihnen maßgeschneiderte numerische Strömungssimulationen (Computational Fluid Dynamics) – von Standardfällen bis zu Spezialereignissen, denn die virtuelle Realität spart erheblich Kosten.

Die beiden üblichen Anwendungsfelder der CFD sind Umströmungen ganzer Gebäude oder Gebäudegruppen, insbesondere Windlastuntersuchungen für Fassaden und Dächer. Windlasten spielen eine immer wichtigere Rolle bei der Planung, denn die Tragwerke werden immer leichter und die Belastungen durch Stürme zunehmend größer. Wir haben vielfältige Erfahrungen mit weitgespannten Glasdächern über Atrien und Malls, die wir nicht nur statisch optimiert haben, sondern für die wir auch komplexe thermische Lösungen entwickelt haben.

Für das zweite große Anwendungsfeld der Simulationen, den Strömungen der Raumluft, berechnen wir Luftgeschwindigkeiten und -temperaturen in Abhängigkeit der Position und Art der Luftein- und Luftaustrittsöffnungen. Oft spielen auch thermische Lasten oder die Wärmestrahlung innerhalb der Räume eine Rolle, die wir entsprechend berücksichtigen.

Ergebnis unserer Simulationen sind kostensparende Konzepte, die nicht nur rechnerisch überprüft die Vorgaben erfüllen, sondern die auch die gewünschten Behaglichkeitskriterien für die Räume gewährleisten. Positiver Nebeneffekt der Funktionssicherung ist oft, dass auch die Betriebskosten niedriger ausfallen.

Ergebnisse unserer Strömungssimulationen:

  • Analyse und Bewertung der Behaglichkeit durch eine 2D- oder 3D-Strömungssimulation
  • Bewertung der Raumluftströmungen zur Vermeidung von Zuglufterscheinungen
  • Analyse von Glasdächern über Atrien und Malls und Platzierung von Rauch- und Wärmeabzugsanlagen
  • Planung und Optimierung von verfahrenstechnisch erforderlichen Luftströmungen
  • Planung und strömungstechnische Optimierung von raumlufttechnischen Anlagen und Komponenten
  • Berechnung und Analyse der räumlichen Verteilung von Raumluft-, Strahlungs- und operativen Temperaturen

Die Experimente in der virtuellen Realität bieten signifikante Vorteile: Sie sind – kompetente Beratung vorausgesetzt – kostengünstig und  völlig gefahrlos. Im Maßstab 1:1 können Strömungsprozesse am Rechner unter wechselnden Parametern erprobt werden und so ein belastbares Bild späterer Bedingungen erzeugen.

Was ist CFD?

Grundlage für Computational Fluid Dynamics sind die Erhaltungssätze der Physik für Masse, Impuls und Energie, die "Navier-Stokes-Gleichungen". Ergänzend hierzu bedient man sich empirischer Werte, die Turbulenzen oder Wärmeausbreitung an Oberflächen beschreiben.

Die Navier-Stokes-Gleichungen, die schon in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts das Verhalten reibungsbehafteter Fluide wie Wasser oder Luft beschrieben, verkörpern ein System von nichtlinearen partiellen Diffentialgleichungen zweiter Ordnung, die von den CFD-Programmen iterativ gelöst werden. Zur Lösung benötigt man tausende von Volumina oder Rechenzellen, die sogenannten Feldmodelle. Die Modellierung kann zwei- oder dreidimensional, stationär oder instationär erfolgen.

Die direkte und simultane Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen an jedem Punkt der Strömung in allen Richtungen und zu allen Zeitpunkten heißt Direkte Numerische Simulation (DNS). Dieses Verfahren erreicht schnell mehrere Milliarden von zu berechnenden Zellen, was die Rechnerleistung heutiger Rechner übersteigt und auf wenige Ausnahmen beschränkt bleibt.

Die heute am weitesten verbreiteten Verfahren bedienen sich der RANS-Turbulenzmodellierung (Reynolds Averaged Navier Stokes), die über zwei Gleichungen die kinetische Energie und die isotrope Dissipationsrate beschreibt und ausreichend genaue Ergebnisse liefert.
Doch nicht nur die Strömung wird numerisch simuliert, sondern auch thermische und andere physikalische Wechselwirkungen.

Die vier Schritte einer Simulation

Für die Lösung der partiellen Differentialgleichungssysteme bedient man sich üblicherweise der Finite-Volumen-Methode (FVM): Der untersuchte Bereich wird in eine bestimmte Anzahl von Zellen oder Kontrollvolumina überführt. Auf jede Zelle werden Gleichungen für Masse, Impuls und Energie angewendet.

Schritt 1: Die Geometrieerstellung

Die zu untersuchende räumliche Strömungssituation wird in einem 3D-CAD-Programm dargestellt, das eine Schnittstelle oder ein Austauschformat zur Software besitzt, mit der die CFD-Gleichungen berechnet werden. Alle an die Strömung grenzenden Flächen des CAD-Modells erhalten eine alphanumerische Kennung, um sie mit Randbedingungen belegen zu können.

Schritt 2: Die Geometrievernetzung Kontrollvolumina wählen

Das betrachtete Innenvolumen wird mit Tetraedern, Hexaedern oder anderen Grundkörpern gefüllt. Die Erstellung dieser Kontrollvolumina erfordert die Einhaltung bestimmter Regeln; das Verhältnis von Länge und Breite sollte nicht größer als 1:5 sein, da sonst bei der Simulation instabile Zustände entstehen können.

Außerdem sind in diesem Schritt alle Randbedingungen zu definieren. Dazu zählen die Oberflächenbeschaffenheit der durchströmten Volumina, die Eintritts- und Austrittsöffnungen oder die Temperatur des untersuchten Fluids (meist Luft).

Schritt 3: Die numerische Lösung

Voraussetzung für die erfolgreiche Berechnung ist die Auswahl eines oder mehrerer geeigneter Modelle für die Strömung. Zu unterscheiden sind Art und Form der Stömung (stationär/instationär, laminar/turbulent), Art des Leiters (Rohr, Gerinne etc.) und Art des Fluids (reibungsfrei/viskos).

Das numerische Näherungsverfahren für partielle Differentialgleichungen erreicht die Lösung iterativ. Sobald eine definierte Fehlerschranke unterschritten wird, beendet man das Verfahren. Zur Kontrolle der Lösung zieht man in der Regel auch noch physikalische Modellparameter heran.

Schritt 4: Die Auswertung der Ergebnisse

Für die Ausgabe der Simulationsergebnisse sind Massenströme oder Funktionsgraphen üblich, die auf der Ordinatenachse die Ergebnisparameter darstellen (etwa Fließgeschwindigkeit oder Druck), während auf der Abszisse Ort oder Zeit dargestellt sind.

Besonders anschaulich sind freilich bunte zwei- oder dreidimensionalen Grafiken, die über ein Farbspektrum Druck oder Fließgeschwindigkeit des Fluids im Untersuchungsbereich sichtbar machen. Selbstverständlich können wir die Ergebnisse auch animieren und in Form eines kurzen Films die Strömungsprozesse dreidimensional und besonders plastisch vor Augen führen.

Vor- und Nachteile der CFD

Numerische Simulationen können und sollen reale Experimente nicht ersetzen. Beide dienen der möglichst genauen und wirtschaftlichen Vorhersage von Strömungsvorgängen, die in geplanten Anlagen oder Gebäuden erwartet oder die in bestehenden optimiert werden sollen. In manchen Fällen ergänzen Simulationen reale Experimente, in vielen anderen ersetzen sie mittlerweile die Experimente.

Vorteile der virtuellen Experimente mit CFD:

  • Spezifische physikalische Randbedingungen oder Effekte können isoliert betrachtet werden
  • Simulationen liefern zu jedem beliebigen Punkt (des Rasters) Messdaten, Experimente nur an wenigen ausgewählten Punkten
  • Viele Strömungsparameter können erfasst werden, die in Experimenten nicht zugänglich sind
  • Zu Beginn des Planungsprozesses kann eine Vielzahl von Prototypen simuliert werden, um schnell Erkenntnisse für die weitere Planung zu sammeln
  • Simulationen können zu einem größeren Problemverständnis beitragen als Experimente
  • Die Kosten sind meist weit niedriger als bei Experimenten

Nachteile der virtuellen Experimente mit CFD:

  • Es kann zu Fehlern kommen durch zu einfache Strömungsmodelle oder simplifizierte Randbedingungen
  • Mögliche Unsicherheiten durch zu wenig Rechenwerte pro Zelle und daraus resultierenden Interpolationsfehlern
  • Rechenzeit bei großen Modellen kann sehr lang werden
  • Die Kosten können bei falscher Beratung auch sehr viel höher ausfallen als bei Experimenten

Bei der Betrachtung und der Analyse der Nachteile wird schnell klar, dass sehr viel vom Anwender des Simulationsprogrammes abhängt. Verwertbare und valide Simulationsergebnisse setzen viel Erfahrung und Sachverstand voraus. Die Beratung, ob CFD oder reale Experimente vorzuziehen sind, sollte neutral erfolgen und nur von der Verantwortung gegenüber dem Ergebnis geprägt sein.

 


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