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Strömungsanalyse – nicht nur für Raketentriebwerke
Die numerische Strömungssimulation gewinnt zunehmend an Bedeutung in der Industrie. Früher
eine Domäne weniger hochqualifizierter Numerik-Spezialisten, sind neuere Modellierungstools einer breiten
Nutzerschicht zugänglich. Die neuen Produkte sprechen die Sprache der Ingenieure. Vor allem in Bereichen, in
denen in kurzer Zeit aussagefähige und möglichst präsentationsfähig aufbereitete Ergebnisse gefragt sind,
kommen Produkte wie die im folgenden Anwenderbericht beschriebene Software von NIKA zum Zuge.
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Bild 1: Schematische Darstellung eines Raketenmotors
Bild: NIKA
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Bereits 1999 brachte NIKA, Spezialist für strömungs- und wärmetechnische Simulationsprogramme, das weltweit erste CAD-integrierte
System zur Strömungssimulation auf den Markt, das ausschließlich für die PCNutzung unter Windows NT konzipiert war. Die
Software-Entwickler wollten damit das bislang nur in Form sehr komplexer und hochpreisiger Programme existierende CFD-Werkzeug
(CFD = Computational Fluid Dynamics – computergestützte Strömungssimulation) auch den Produktentwicklern jenseits der großen
High-Tech-Firmen zugänglich machen.
Nicht nur Unternehmen der Fahrzeug-, Luft- und Raumfahrttechnik hatten Bedarf an
strömungstechnischer Optimierung ihrer Produkte. Auch in der Medizintechnik, der Gebäudetechnik, bei der Produktion elektronischer
Geräte aller Couleur oder Anlagen der Haustechnik benötigten die Ingenieure zeit- und kostensparende Hilfe bei der Entwicklung
neuer Produkte. Erfahrungen der Mitarbeiter, langwierig ermittelte empirische Daten und teure Prototypen allein hielten den
Anforderungen unserer schnelllebigen Zeit nicht mehr Stand.
Der Software-Hersteller NIKA reagierte auf diese Marktanforderungen
mit der Entwicklung der Strömungsanalyse-Software „FloWorks“, die auf der EFD-Technik (Engineering Fluid Dynamics) basiert,
übersichtliche Daten liefert und leicht bedienbar ist.
Berechnung von Staustrahltriebwerken
Die Vorzüge des Systems überzeugten
auch den Triebwerks- und Treibsatzhersteller Bayern-Chemie in Aschau am Inn. Dort berechnet der Entwicklungsingenieur
Ralf Stierle Lufteinläufe an Staustrahl-Triebwerken. „Lufteinläufe sind Bestandteile von regelbaren Staustrahltriebwerken,
deren Schub entsprechend den Missionsanforderungen durch aktive Regelung des Treibstoffdurchsatzes variiert wird“, beschreibt
er die Funktionsweise. „Luftatmende Triebwerke dieser Art werden beispielsweise in Über- und Hyperschallflugkörpern verwendet.“
Stierle setzte in den vergangenen Jahren für die notwendigen FEM-Berechnungen (Finite-Elemente-Methode) High-End-Tools sowie
eigenentwickelte Software ein. Für seine Arbeit benötigte er ergänzend zu den bislang verwendeten Programmen ein unkompliziertes
Werkzeug zum schnellen Abschätzen strömungsmechanischer Problemstellungen und die einfache grafische Aufbereitung von Daten für
Vorentwicklungsstudien und Präsentationen. Im Rahmen einer Testinstallation des CAD-Systems SolidWorks hatte er auch die Gelegenheit
FloWorks kennenzulernen.
Bereits eine erste Demonstration der Software machte die Bayern neugierig. Es folgte die Arbeit mit
einer Testversion, während der an Hand von aussagekräftigen Beispielen die Eignung für die Bayern-Chemie getestet wurde. FloWorks
überzeugte durch seine Benutzerfreundlichkeit, die hohe Kompatibilität zur CAD-Software SolidWorks und ein gutes
Preis-/Leistungsverhältnis.
Bild 2: Staustrahltriebwerk auf dem Prüfstand
Bild: NIKA
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Strömungsverhalten simulieren
Mit Hilfe der bisher verwendeten Programme modellierte Stierle selbst
den Strömungsraum und musste die entsprechenden Rechennetze manuell erzeugen. Das Generieren des Rechennetzes erfordert viel
Know-how und dazu einen hohen Aufwand. Trotzdem war es unverzichtbar, denn für den Entwickler ist es wichtig zu verstehen, welche
Strömungsbedingungen in solchen Triebwerkskomponenten vorliegen.
Dieser Arbeitsschritt verläuft heute wesentlich einfacher:
FloWorks erkennt an Hand der CADGeometrie den Hohlraum und vernetzt ihn automatisch mit Hexaeder-Elementen, ein Novum auf diesem
Gebiet. Und je komplexer die Geometrie, desto feiner die Vernetzung, besonders in kritischen Bereichen des Modells wie Grenzschichten,
Turbulenzzonen, schmalen Öffnungen, scharfen Kanten oder Rezirkulationsbereichen. Der Entwickler definiert mit Hilfe der
IDI-Schnittstelle (Intelligent Driver Interface) zunächst das ingenieurtechnische Berechnungsziel der gewünschten Computersimulation.
Diese Zielvorgabe bildet dann die Grundlage des Analyseprozesses. Fehlerquellen durch Mehrfacheingaben einzelner Daten entfallen.
FloWorks verbessert permanent das Netz und passt die Gitterpunkte automatisch an die physikalischen Gegebenheiten an.
Die Ergebnisse generiert IDI unter Verwendung von Isoplots, Vektorplots, Partikelspuren, Schnittflächen und so weiter.
Die Zielorientierung verkürzt die Durchlaufzeiten auf ein zuvor nicht erreichtes Niveau. Während des automatisch gesteuerten
Prozessablaufs erlauben Vorschaufunktion und grafische Darstellung des jeweiligen Berechnungsforschrittes die ständige Kontrolle
des Bearbeitungsstandes. Wenn die vom Anwender definierten Berechnungsziele erreicht sind, stoppt FloWorks automatisch das Programm.
Mit Minimaleinstellung zum Maximalergebnis
Zurück zu den Flugkörpertriebwerken. Im Anwendungsfall Staustrahl-Triebwerk werten die Entwickler der Bayern-Chemie die
Rechenergebnisse auf phänomenologischer Basis aus. Es geht um den Charakter des Strömungsfeldes, weniger um die genauen
Zahlenwerte. Die dabei gemachten Beobachtungen lassen Rückschlüsse auf das Design zu und dienen als Vorgaben für
konstruktive Veränderungen. Über die Genauigkeit der Ergebnisse entscheidet Stierle selbst: „Ich arbeite mit einer
Minimaleinstellung, so dass ich in einer vernünftigen Zeit zu einem vernünftigen Ergebnis komme. Der Vorteil von FloWorks
ist, dass man sehr schnell zum Ziel kommt.“ Selbstverständlich lässt sich die Genauigkeit für andere Anforderungen erhöhen,
so dass am Ende belastbare Zahlenwerte vorliegen.
Obwohl die Entwicklung einer Rakete mit Gewährleistungsfristen einhergeht,
die weit über den im schnelllebigen Konsumerbereich gebräuchlichen liegen, gilt auch hier „Zeit ist Geld“. Je nach
Aufgabenstellung dauert ein Programmdurchlauf schon mal zwei bis drei Tage, Verlängerung nicht ausgeschlossen. Das Simulieren
einer symmetrischen Anströmung verkürzt die Durchlaufzeit, da in diesem Fall nur ein auf die Symmetrieachsen reduziertes Modell
berechnet werden muss.
Sollen jedoch Anstellwinkel berücksichtigt oder ein Kurvenflug mit seitlich-schräger Anströmung
simuliert werden, geht kein Weg am Gesamtmodell vorbei. Dazu kommen weitere physikalische Besonderheiten, die sehr komplexe
Berechnungen erfordern, zum Beispiel die Entstehung von Verdichtungsstößen im Überschallbereich, deren bekanntestes Beispiel
der Überschallknall ist.
Ob aufwändig gerechnet oder tendenziell ermittelt – der Kunde möchte keine Zahlenkolonnen. Deshalb
stellen die Entwickler ihre Arbeitsergebnisse in Form von repräsentativen Grafiken vor. Anwender Stierle dokumentiert an Hand
der abgebildeten Beispiele die grafischen Fähigkeiten des NIKA-Programms.
Bild 3: Anschaulich: Die Software FloWorks zeigt die Darstellung der Druckverhältnisse eines Flugkörpers bei Mach 3
Bild: NIKA
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Bewährungsprobe bestanden
Vor rund anderthalb Jahren
entschied sich die Bayern-Chemie für FloWorks. Nach der Installation des Programms genügte eine eintägige Einweisung durch NIKA.
„Die meisten Funktionen waren selbsterklärend, jedes Upgrade brachte bislang echte Verbesserungen“, erklärt Stierle. Sehr positive
Erfahrungen hat er auch mit der NIKA-Hotline gemacht, die stets schnelle und kompetente Hilfe leistete: „Ich bin bis heute auf
keinem meiner Probleme sitzen geblieben.“
Zum Credo des Software-Herstellers gehört neben gutem Service auch der fachliche
Austausch mit seinen Kunden, um deren Problemstellungen in neue Entwicklungen einzubeziehen. Auf dieser Basis entstand FloWorks PE,
die Professional Edition (PE) des schon etablierten FloWorks. Die PE-Version wurde um Sonderfunktionen erweitert, deren Bedarf
der Software-Hersteller im Dialog mit seinen Kunden feststellte. Zu den Sonderfunktionen gehören unter anderem die
semiautomatische Netzgenerierung und Lösungskontrolle, sowie netzbasierende Ergebnisauswertungen. Die erweiterte FloWorks-Variante
unterstützt außerdem Multiprozessor-Computer und liefert dadurch selbst anspruchsvolle Berechnungsergebnisse in kurzer Zeit.
Um spezifische Analyseprobleme zu lösen, ergänzten die Entwickler ihr Programm um das EFD-Zooming, das Simulationsergebnisse
eines großen Berechnungsmodells als Randbedingungen für die Berechnung kleiner Ausschnitte des gleichen Modells nutzbar macht.
Aufgrund dieser Leistungsmerkmale hat FloWorks PE als günstige Upgrade-Version bei Bayern-Chemie bereits Einzug gehalten. Für
die Zukunft wünscht sich Stierle für seine spezifischen Aufgabenstellungen eine Erweiterung von Einphasen- auf Mehrphasenströmung
in zukünftigen Programmen.
Die Entwicklung geht weiter
Neue Wege beschreitet NIKA mit der Entwicklung des
Strömungssimulations-Programms EFD.Lab. War FloWorks vor allem auf die Zusammenarbeit mit dem CAD-System Solidworks abgestimmt,
ist EFD.Lab als Stand-Alone-Version konzipiert und ist somit unabhängig von CADSystemen. Über Import- und Export-Schnittstelle
tauscht das System Daten mit CAD-Systemen aus. Bereits vorhandene CAD-Geometrien können so einfach übernommen und verarbeitet
werden.
Besonders interessant ist diese Entwicklung für Unternehmen, die unterschiedliche CADSysteme im Einsatz haben. Dazu
zählt auch die Bayern-Chemie. „Bei uns wird hauptsächlich mit Catia gearbeitet. Der Einsatz von EFD.Lab ist daher eine
interessante Option, die wir gerade prüfen“, erklärt Stierle.
EFD.Lab bevorzugt Kompliziertes
Mit den positiven Erfahrungen
von FloWorks entwickelten die Spezialisten von NIKA die Software EFD.Lab speziell für die mittelständische Industrie als
Instrument zur Strömungssimulation. Die damit geschaffenen virtuellen Prototypen bieten mannigfaltige Möglichkeiten der
Variation unterschiedlicher physikalischer Größen. Je nach Zielsetzung der Simulation kann der Anwender den Strömungsraum
automatisch modellieren lassen oder die Vernetzungsparameter ganz oder teilweise selbst einstellen.
Bei der automatischen
Netzgenerierung berücksichtigt EFD.Lab kritische Stellen der Modellgeometrie und passt im Laufe des Rechenprozesses das
Ausgangsnetz ständig an die physikalischen Bedingungen an. Dieses RAM (Rectangular Adaptive Mesh) genannte Anpassungsprinzip
auf Basis der analysierten Werte führt zu erhöhter Genauigkeit an problematischen Stellen und gleichzeitiger Verringerung
der erforderlichen Rechenressourcen in weniger anspruchsvollen Bereichen. Ein überaus effizientes Verfahren.
Virtuelle
Prototypen entstehen mit EFD.Lab in kurzer Zeit und sehr preisgünstig. Das Durchspielen verschiedener Designlösungen wie
etwa für hydraulische und pneumatische Komponenten oder auch Gehäuse von elektrischen Geräten ist damit kein Privileg
der „Großen“ mehr, sondern auch für mittelständische Unternehmen möglich. Einsatzmöglichkeiten für EFD.Lab sieht NIKA in
vielen Branchen. Dazu zählen beispielsweise Hersteller von Motoren, Hydraulik- und Pneumatikkomponenten, Computergehäusen,
Elektronikgeräten, Kühl- und Klimatisierungsanlagen oder auch Anwendungen in der Gebäudetechnik.
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» Sonderdruck aus Konstruktion, 3/2003 (PDF, 111KB)
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