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Strömungssimulation im industriellen Einsatz
Automatisierte Funktionen unterstützen den Ingenieur
Seit einiger Zeit ist ein Trend zur Verlagerung von strömungstechnischen Simulationsrechnungen an den
Entwicklerarbeitsplatz zu beobachten. Da die Kernfunktionen vieler Produkte und Verfahren auf strömungs-
oder thermodynamischen Vorgängen beruhen beziehungsweise von solchen beeinflusst werden, ist dieser Trend
ein Ausdruck der sich wandelnden Realität in den Unternehmen. Die Einführung von Product Lifecycle Management
(PLM)-Konzepten schließt meist auch die Durchführung von physikalischen Simulationen ein, die im Rahmen des
Virtual Prototyping für Grundlagen- und Prinzipentwicklung, Funktionsnachweis, Variantenuntersuchung oder
auch Problemidentifikation durchgeführt werden.
Dr. Ivo Weinhold, Produktmanager NIKA GmbH
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Bild 1: Ermittlung der aerodynamischen Beiwerte eines Flugkörpers - Interferogramm-Darstellung
der Dichteverteilung und numerische Auswertung der Widerstandsbeiwerte.
Bild: NIKA
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Dabei sollte jedoch klar sein, dass insbesondere Strömungs- und Wärmeübertragungsvorgänge physikalisch gesehen oft
sehr komplex und somit schwer zugänglich sind. Um nun unter den Bedingungen der industriellen Praxis tatsächlich auch
als Routinewerkzeug geeignet zu sein, müssen Strömungssimulationsprogramme für die breite Anwendung in Entwicklungsabteilungen
bestimmte Eigenschaften haben und entsprechende Mehrleistungen gegenüber klassischen CFD (Computational Fluid Dynamics)-Expertentools
erbringen. Denn ein Entwicklungsingenieur kann sich meist nur auf die Lösung der physikalisch-technischen Problemstellung
konzentrieren. Fachfremde Aufgaben während eines Simulationsprojekts wie Netzgenerierung oder Löser-
parametrisierung müssen
durch automatisierte Funktionen von der Simulationssoftware selbst übernommen werden. Das heißt, die Software muss dafür sorgen,
dass Anwender allein auf der Basis der Fachkenntnisse ihres jeweiligen Gebiets effizient brauchbare Simulationsergeb-
nisse mit
hoher Qualität erhalten.
Auf der ingenieurtechnischen Ebene – bei der Analyse physikalischer Zusammenhänge, der Festlegung einer geeigneten Abgrenzung
der Aufgabe oder dem Auswerten der Ergebnisse und Ableiten von Schlussfolgerungen für ein verbessertes Design – kann ein
Simulationsprogramm den qualifizierten Entwicklungsingenieur nicht ersetzen. Das sind und bleiben die Aufgaben des Software-Anwenders
mit seinem technischen Fachwissen.
Aus der Praxis
Seit einigen Jahren sind die Simulationspakete der „Engineering Fluid Dynamics“ (EFD)-Familie von NIKA weltweit in vielen Industriebereichen
sowie in Forschung und Lehre im produktiven Einsatz. Ein bereits langjähriger Anwender ist Ralf Stierle von der Firma Bayern-Chemie Protac
aus Aschau am Inn. Das Unternehmen entwickelt und produziert Antriebssysteme für Feststoff-
raketen, Bild 1,
mit den zugehörenden Komponenten und nutzt die NIKA-Strömungssimulations-
software beispielsweise bei der Optimierung von Einläufen für Flugkörper
mit Staustrahlantrie-
ben, für die Schubvektorberechnung von gekröpften Düsen oder die Bestimmung der aerodyna-
mischen Beiwerte von Flugkörpern.
Die Geometriedaten werden aus einer Multi-CAD-Umgebung mit „CATIA V4“, „CATIA V5“ und „Pro/ENGINEER“ zugeliefert sowie mit „SolidWorks“ berechnungsspezifisch
erstellt und aufbereitet. Ein Kernelement der EFD-Konzeption ist das automatische Erkennen der internen Strömungsräume mit „intelligenter“ Identifizierung
der tatsächlich an den Strömungs- und Wärmeübertragungsvorgängen beteiligten Bereiche und Bauteile, ohne dass durchströmte Hohlräume für die spätere
Vernetzung mit separat zu modellierenden Bauteilen ausgefüllt werden müssen. Alle nicht durchströmten Hohlräume im CAD-Modell werden automatisch aus
dem Simulationsmodell ausgeschlossen.
Die Generierung des Berechnungsnetzes geschieht vollautomatisch, wobei besondere strömungsspezifische Anforderungen an die Netzqualität lokal und global
ebenfalls automatisch durch ein zweistufiges adaptives Netzverfeinerungsverfahren berücksichtigt werden. Das Ergebnis ist ein optimiertes CFD-Berechnungsnetz
als Voraussetzung für einen stabilen, effizienten Lösungsprozess und eine hohe Qualität der Ergebnisse, Bild 2.
Bild 2: Simulation des Schubvektorfehlers einer gekröpften Düse -
Ausschnitt des Berechnungsnetzes und Darstellung von Strompfaden.
Bild: NIKA
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Automatische Konfiguration und Steuerung
Ein weiteres Schlüsselelement des EFD-Konzepts ist die Definition von „Engineering Goals“ als Basis für die automatische Konfiguration und Steuerung
des Lösungsvorgangs. Mit Hilfe dieser Engineering Goals werden die für eine Simulation wichtigen ingenieurtechnischen und physi-
kalischen Parameter
beschrieben, auf deren Bestimmung und Optimierung das Simulations-
projekt fokussiert ist.
Solche Parameter können einerseits direkt berechnete physikalische Größen wie Wandtempera-
turen, Kräfte und Momente an Bauteilen oder Volumenströme in
Öffnungen sein. Andererseits lassen sich mit dieser Funktion auch beliebige abgeleitete Größen wie Kennzahlen, entdimensio-
nierte Werte oder Größendifferenzen
(beispielsweise Druckverluste) direkt ermitteln und deren Verlauf grafisch darstellen.
Bei Bayern-Chemie Protac wird diese hilfreiche Funktion unter anderem dazu verwendet, aerodynamische Parameter von Flugkörpern laufend während des Lösungsprozesses
zu beobachten (Bild 1). Dies trägt merklich dazu bei, Simulationsprojekte effizient durchzuführen und ungeeignete Varianten oder auch mögliche Modellierungsfehler
frühzeitig zu erkennen.
Die Simulationsergebnisse werden stets am dreidimensionalen CAD-Modell mit einer Vielzahl möglicher grafischer Funktionen dargestellt, die auch besonderen Anforderungen
genügen. Beispielsweise wertet Bayern-Chemie Protac die berechnete Dichteverteilung um Flugkörper mittels eines Interferogramms aus (Bild 1). Mit dem integrierten
Postprozessor erstellte Videosequenzen von animierten Strompfaden oder das interaktive Ziehen von Schnittebenen mit Ergebniskonturen in Echtzeit unterstützen erheblich
das Verständnis des dreidimensionalen Charakters von komplexen Strömungen.
Die quantitative Auswertung von Ergebnissen ist mit Hilfe von „Microsoft Excel“ und „Word“ ebenfalls weitestgehend automatisiert. Der integrierte Reportgenerator erzeugt
auf der Grundlage von Vorlagen Dokumentationen aller Projektdaten, der gewünschten grafischen Ergebnisdarstellungen und der numerischen Auswertungen. Die Reportvorlagen
lassen sich dabei so anpassen, dass bestehende Dokumentations- und Archivierungsstandards für Simulationsprojekte erfüllt werden. Einmal erstellt, dienen diese Vorlagen
als Basis für die künftige vollautomatische Berichterstellung gemäß den jeweiligen innerbetrieblichen Anforderungen.
Die Engineering Fluid Dynamics-Technologien mit den darauf aufbauenden Simulationspaketen von NIKA bieten alle Voraussetzungen, um Strömungssimulationen kostengünstig und
effizient im Rahmen moderner PLM-Konzepte durchzuführen.
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» Sonderdruck aus VDI-Z Integrierte Produktion, 3/2005 (PDF, 1.053KB)
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