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Auf breiter Front
CFD als Entwicklungsbegleitendes Tool
Mehrfach haben neue, innovative CAD- und CAE-Systeme zuvor exklusiven High-End-Entwicklungstechnologien
zum Durchbruch verholfen. Seit einiger Zeit lässt sich dieser Trend auch bei der Verlagerung von
strukturmechanischen Routineberechnungen an den Entwicklerarbeitsplatz beobachten.
Dr. Ivo Weinhold
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Berechnung der Temperaturen in einem elektronischen Gerät
Bild: NIKA GmbH
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Interessant ist, dass die im breiten industriellen Einsatz erfolgreichen CAD- und CAE-Systeme keine funktionsreduzierte
Versionen etablierter High-End-Programme sind. Es handelt sich bei Ihnen stets um neue Produkte als Verbindung von
innovativen Technologien und Konzepten mit bewährten wissenschaftlich-technischen Grundlagen. Da die Kernfunktionen
einer großen Mehrheit von Produkten und Verfahren in irgendeiner Weise physikalisch auf strömungs- oder
thermodynamischen Vorgängen beruhen beziehungsweise von solchen beeinflusst werden, wird auch die Simulation
solcher Vorgänge diesem Trend folgen und als Routinewerkzeug in die Entwicklungsabteilungen einziehen.
Der Anfang dafür ist mit Programmen wie EFD.Lab von NIKA bereits gemacht.
Strömung schwer zu verstehen
Es ist klar, dass Strömungs- und Wärmeübertragungsvorgänge von Natur aus wesentlich schwieriger zu verstehen und
zu modellieren sind als beispielsweise strukturmechanische Aufgabenstellungen. Deshalb müssen entsprechende
Simulationsprogramme für eine breite Anwendung auch adäquate Mehrleistungen erbringen. Das heißt, dass das
spezifische Wissen von Berechnungsexperten bereits in die Software integriert werden muss und auf diese Weise
dafür Sorge zu tragen ist, dass Anwender allein auf der Basis der Kenntnisse ihres jeweiligen Fachgebiets
brauchbare Ergebnisse erhalten. Wohlgemerkt, die Rede ist vom spezifischen Wissen über Diskretisierungsverfahren,
Netzgenerierung oder die numerische Lösung von Differenzialgleichungssystemen, also von Dingen, die mit der
fachlichen Aufgabe des Ingenieurs eigentlich nichts zu tun haben.
Lücken auf der ingenieurtechnischen Ebene beim Verständnis der physikalischen Zusammenhänge,
der geeigneten Abgrenzung der Aufgabe oder dem Auswerten der Ergebnisse kann ein Simulationsprogramm
natürlich nicht schließen. Das ist und bleibt die Aufgabe des Ingenieurs als Anwender der Software.
Die Ursachen dafür, dass Strömungssimulationen immer noch als sehr kompliziert und aufwendig gelten,
liegen allerdings ganz sicher nicht auf dieser fachlichen Ebene. Es sind vielmehr die konzeptionellen
Unzulänglichkeiten vieler CFD-Programme, die auch heute noch auf Basis einer Technologie aus den
achtziger Jahren umfangreiche fachfremde Spezialkenntnisse bei der Bedienung erfordern. Solange
diese Basistechnologie erhalten bleibt, helfen auch Detailverbesserungen wie auf spezielle Aufgaben
zugeschnittene Bedienoberflächen, Reduzierung von Funktionen oder eine formale Anbindung an
CAD-Systeme wenig weiter.
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Strompfade mit farbiger Darstellung der Geschwindigkeit
Bild: NIKA GmbH
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Geschwindigkeitsverteilung auf den Wänden
Bild: NIKA GmbH
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CFD – mit dem Design Schritt halten
Der Schlüssel liegt darin, die wahren Ursachen für die Schwierigkeiten zu eliminieren und dem Ingenieur als Anwender
zu ermöglichen, sich auf seine oft immer noch sehr schwierige technisch-physikalische Aufgabe zu konzentrieren. Nur so
wird es möglich, Strömungssimulationen so effizient zu gestalten, dass physikalisch brauchbare Ergebnisse in einem
entsprechenden Zeitraum vorliegen. Der akzeptable Zeitraum wird dabei direkt durch den Rhythmus der Designänderungen
im Entwicklungsprozess bestimmt. Mit anderen Worten: brauchbare Simulationsergebnisse auf der Basis eines Konstruktionsstandes
müssen so schnell beigebracht werden, dass die daraus gewonnenen Erkenntnisse bereits in den folgenden Änderungsschritt
einfließen können. Das ist das entscheidende Kriterium für praxisgerechte entwicklungsbegleitende Simulationen in der Industrie.
Um den Einsatz von Strömungssimulationen als entwicklungsorientiertes Werkzeug in der Praxis tatsächlich zu ermöglichen,
müssen einige technische Mindestanforderungen erfüllt sein. Diese sind das Ergebnis einer einfachen Analyse der wichtigsten
Probleme bei traditionellen Strömungsberechnungen, die die ausschlaggebende „Produktivitätsbremse“ darstellen.
Im Zeitalter des Digital Engineering liegt die Ausgangsvariante der zu untersuchenden Geometrie in der Regel als
komplexer 3D-CAD-Datensatz vor, der aber den für die Vernetzung notwendigen Strömungsraum nie als separate Geometrie
enthält.
Umgang mit der Geometrie
EFD.Lab bietet einen leistungsfähigen Preprozessor, der sowohl Importschnittstellen für Originaldaten aller
großen 3D-CAD-Systeme als auch Schnittstellen für die universellen Standardformate mitbringt. Darüber hinaus
können eigene Bauteile und Baugruppen mit der vollen Funktionalität eines modernen parametrischen Volumenmodellierers
erstellt werden. Besonders attraktiv ist dabei, dass auch die importierten Bauteile und Baugruppen der Ausgangsvariante
für weitere Variantenuntersuchungen direkt verändert und ergänzt und am Ende wieder in das Ausgangsformat für die
direkte Weiterverarbeitung im Ursprungssystem zurückgeführt werden können.
EFD.Lab arbeitet grundsätzlich geometrie-, nicht netzorientiert. Das heißt, als Bezug für die Definition aller
notwendigen Eingabedaten dient ausschließlich die „mechanische“ 3D-CAD-Geometzie und kein Negativmodell des
Strömungsraumes, auch nicht das Berechnungsnetz. Vor allem in einer Multi-CAD-Umgebung oder für die Arbeit mit
Daten aus verschiedenen Ausgangssystemen ist dieses Konzept außerordentlich produktiv. Es ermöglicht eine
ingenieurgemäße Arbeitsweise und erleichtert das Verständnis für die Modellierung erheblich. Die korrekte
Identifizierung der einzelnen Berechnungsgebiete für die folgende Vernetzung übernimmt EFD.Lab selbständig.
Netzgenerierung
Die Netzgenerierung ist heute im traditionellen CFD-Bereich wohl der mit Abstand zeitaufwendigste und
unproduktivste Arbeitsschritt. Eine Automatisierung bringt hier einen großen Effizienzgewinn. Dabei ist
es besonders wichtig, dass ein solcher automatischer Netzgenerator auf Knopfdruck nicht irgendein Netz erzeugt,
sondern die spezifischen Anforderungen einer Strömungsberechnung berücksichtigt. EFD.Lab bringt einen eigenen
automatischen Netzgenerator mit, der auf der Rectangular-Adaptive-Mesh-Technologie (RAM) von NIKA basiert und
auch bei sehr komplexen Geometrien mit wenigen oder gar keinen zusätzlichen Benutzereingaben in der Praxis
funktioniert. Das Ergebnis ist ein CFD-Netz, das eine numerisch besonders günstige Zellform verwendet und
durch adaptives lokales Verfeinern eine ressourcenschonende Berechnung erlaubt.
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Luftströmung in einem klimatisierten Büroraum
Bild: NIKA GmbH
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Konvergenz der Berechnung
Der schnellste Löser nutzt nichts, wenn nach einer Rechnung über Nacht wegen mangelhafter Konvergenz keine
brauchbaren Ergebnisse vorliegen und eine aufwendige Nachbesserung des Netzes und der Lösereinstellungen notwendig wird.
Bei der Entwicklung von EFD.Lab hat deshalb die numerische Stabilität des Lösers eine hohe Priorität. Die Grundlage
hierfür sind die von NIKA entwickelten Basistechnologien. Auf deren Fundament wird auch unter schwierigen Bedingungen
im Rahmen des definierten Modells bereits mit dem ersten Rechenlauf eine brauchbare Lösung geliefert, selbstverständlich
ohne qualitätsvermindernde Maßnahmen, etwa reine numerische Diffusion einzuleiten. Diese Technologien sind unter anderem:
- die bereits erwähnte Rectangular-Adaptive-Mesh-Technik
- Modified Wall Functions (MWF), die auf einem von NIKA entwickelten empirischen Ansatz beruhen
- das automatisierte Turbulenzmodellierungssystem LTTM, das die Simulation der strömungsphysikalischen Charakteristika
und ihrer Auswirkungen über den ingenieurtechnisch interessanten Reynolds-Zahlenbereich mit einem einzigen Modell erlaubt
- das Konvergenzsteuerungssystem ACC.
Ergebnisauswertung und Dokumentation
Der Aufwand für die Auswertung der Simulationsergebnisse und die folgende Ableitung, Umsetzung und Überprüfung von
Designänderungen wird oft unterschätzt. Jedes Simulationsergebnis muss einer Plausibilitäts- und Genauigkeitsprüfung
durch den Ingenieur unterzogen werden. EFD.Lab bietet dafür eine Vielzahl von grafischen und numerischen Auswertefunktionen
mit engem Bezug zur originalen 3D-Geometrie. Dadurch werden grafische Darstellungen sehr anschaulich und auch für nicht
technische Mitarbeiter auf einfache Weise verständlich. Die direkte Anbindung an die bekannten Office-Programme für
numerische Auswertungen in Tabellen und Graphen oder für einen automatisierten Ergebnisreport erlaubt die effiziente
Erstellung präsentationsreifer Dokumentationen.
Integration in Entwicklungsabläufe
Der Trend zur Nutzung digitaler Produktdaten für den gesamten Entstehungs- und Lebenszyklus eines Produktes schließt
selbstverständlich auch Strömungssimulationen ein. Ungeachtet deren komplexer physikalischer Natur ist es die
Herausforderung an die Softwareentwickler, dies in der Praxis für Praktiker zu realisieren. Eines ist klar: die
physikalischen Aufgaben der Anwender, die Komplexität der Modelle, die Anforderungen an die Effizienz der Berechnung
und die Qualität der Ergebnisse sind weder von der Firmengröße noch der Häufigkeit der Anwendung abhängig. Deshalb
ist es letztlich die Aufgabe der Softwarehersteller, das auf den ersten Blick Unmögliche zu ermöglichen: einfacher
als High-End-Systeme nutzbare CFD-Software mit vergleichbarer Leistungsfähigkeit und gleicher Ergebnisqualität zu
drastisch reduzierten Kosten anzubieten – und somit die notwendige technische und wirtschaftliche Effizienz von
Strömungssimulationen für die praxisgerechte PLM-Integration zu erreichen.
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» Digital Engineering Magazin 3/2003 als PDF, 420KB
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