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Produktentstehung
Integration von Strömungssimulationen
Das frühzeitige Gewinnen von zuverlässigen Erkenntnissen über Strömungs- und Wärmeübertragungsvorgänge
ist oft ein entscheidendes Kriterium für den Erfolg eines Entwicklungsprojektes. Teilweise werden bereits
in der Definitionsphase konkrete Nachweise der strömungs- und wärmephysikalischen Funktion eines künftigen
Designs oder Verfahrens gefordert. Im Zeitalter von Product Lifecycle Management-Strategien (PLM) führt
dabei kein Weg mehr an computerbasierter Simulation vorbei.
Dr. Ivo Weinhold, Produktmanager NIKA GmbH
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Bild 1: Druckverlust im Automatikfilter
Bild: BOLL & KIRCH Filterbau
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Entscheidend jedoch ist, daß die Berechnungsprojekte pünktlich und mit zuverlässigen Ergebnissen abgeschlossen werden können.
Strömungsberechnungen, die nicht mit dem allgemeinen Projektverlauf Schritt halten können, sind als Hilfsmittel für die
Entwicklung wenig geeignet. Deshalb wird die Wirtschaftlichkeit von Simulationsrechnungen - nicht nur Strömungssimulationen
- wesentlich von der benötigten Gesamtbearbeitungszeit bestimmt. Diese beginnt mit der Bereitstellung der 3D-CAD-Daten des
zu untersuchenden Designs und endet mit der Präsentation der Ergebnisse und Schlußfolgerungen an die Entscheidungsgremien.
Unter Praxisbedingungen in Entwicklungs- und Konstruktionsabteilungen ist diese Aufgabe nur mit speziell zugeschnittenen
Berechnungswerkzeugen zu lösen. Diese Werkzeuge müssen so konzipiert sein, daß sie den Projektbearbeiter weitestgehend von
berechnungsspezifischen Tätigkeiten befreien und ihm ermöglichen, sich ausschließlich auf die unmittelbare Lösung der
physikalisch-technischen Aufgabenstellung zu konzentrieren. Wesentliche Elemente sind dabei der Umgang mit den CAD-Daten
zur Erzeugung des Geometriemodells unter dem Aspekt weitestgehender Durchgängigkeit, automatische Vernetzungstechnologie,
Stabilität und Zuverlässigkeit der mathematischen Algorithmen durch intelligente Lösungssteuerung sowie effiziente
Auswertung und Dokumentation der Ergebnisse.
CAD-Integration oder CAD-Datenimport
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Die Ausgangsvariante der zu untersuchenden Geometrie liegt in der Regel immer als 3D-CAD-Datensatz vor. Am einfachsten
können diese Daten für eine Simulation genutzt werden, wenn das Simulationsprogramm in das CAD-System integriert ist und
somit direkt die Geometriefunktionen dieses Systems verwenden kann. Die Engineering Fluid Dynamics-Software (EFD) von
NIKA für die Simulation von Strömung und Wärmeübertragung ist zum Beispiel sowohl als Workbench in CATIA V5 (EFD.V5)
als auch als Zusatzmodul in Pro/ENGINEER Wildfire (EFD.Pro) integriert und nutzt unter der jeweiligen Benutzeroberfläche
dieser Systeme den gleichen Feature-Baum wie das Geometriemodell. Änderungen und Optimierungen der Geometrie aufgrund
von Erkenntnissen aus den Simulationsrechnungen können direkt im CAD-System mit den vertrauten Modellierungsfunktionen
durchgeführt werden. Aber es gibt auch zahlreiche Bereiche, wo ein universellerer Umgang mit 3D-Geometriedaten gefordert
ist. Beispielsweise viele Systemlieferanten und Ingenieurdienstleister verarbeiten Geometriedaten für Simulationen in
den unterschiedlichsten Datenformaten und erwarten sowohl deren reibungslose Übernahme durch Importschnittstellen für
Originaldaten aller großen 3D-CAD-Systeme als auch durch Schnittstellen für die universellen Standardformate wie STEP,
IGES oder VDAFS. Dabei ist es wichtig, daß die importierten Bauteile und Baugruppen der Ausgangsvariante für folgende
Variantenuntersuchungen parametrisch verändert oder ergänzt und wieder in das Ausgangsformat für die direkte
Weiterverarbeitung im Ursprungssystem zurückgeführt werden können. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat NIKA
das Programmsystem EFD.Lab entwickelt, das die Engineering Fluid Dynamics-Technologie für Strömungsberechnungen und
einen parametrischen Volumenmodellierer der neuesten Generation mit kompletter Schnittstellenausstattung unter einem
Dach vereint. EFD.Lab enthält somit eine umfassende CAD-Anbindung für nahezu alle wichtigen 3D-CAD-Systeme.
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Bild 2: Strömungs-
geschwindigkeit in einer Filterkerze
Bild: BOLL & KIRCH Filterbau
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Automatische Netzgenerierung
Für Simulationen von Strömung, Wärme- und Stoffübertragung hat sich heute die Finite Volumen-Methode als zugrundeliegendes
Berechnungsverfahren durchgesetzt. Diese Methode erfordert ein Berechnungsnetz in dem zu untersuchenden Gebiet. Wichtig
ist dabei, daß dieses Netz qualitativ hochwertig im Sinne von Strömungsberechnungen ist. Die Kriterien sind unter anderem
die automatische Generierung von Hexaederzellen im gesamten Rechengebiet und eine ausreichende Netzdichte in strömungsmechanisch
kritischen Bereichen, ohne die Berechnung durch unnötig große Modelle unwirtschaftlich werden zu lassen. Sollen nun die für die
mechanische Konstruktion und Fertigung geschaffenen 3D-CAD-Modelle für die Gittergenerierung herangezogen werden, ergibt sich ein
Problem: das zu berechnende Gebiet - der mit Flüssigkeit oder Gas gefüllte Raum - ist normalerweise nicht als eigenes Solid
modelliert und steht somit auch nicht für die Vernetzung zur Verfügung. Die EFD-Programme können deshalb sowohl den geschlossenen
inneren Strömungsraum als auch das äußere Umströmungsgebiet sowie die Solid-Bereiche aus verschiedenen Werkstoffen für die
Wärmeübertragung selbständig erkennen. Das Berechnungsgebiet wird anschließend automatisch mit der RAM-Technologie
(Rectangular Adaptive Mesh) mit Hexaederelementen vernetzt und in der Netzdichte automatisch an geometrisch und physikalisch
kritische Bereiche angepasst.
Automatisierte Ergebnisauswertung mit Standardsoftware
Die effiziente Auswertung und Dokumentation der Berechnungsergebnisse ist ein weiterer wichtiger Faktor für die
Gesamtbearbeitungszeit und damit für die Gesamtkosten einer Strömungssimulation. Die PC-Plattform bietet mit MS Office
einen Quasistandard für die Erstellung von Dokumenten, Präsentationen und die Auswertung von Zahlenmaterial. Die
Kombination von MS Office mit einem in ein CAD-System oder einen Volumenmodellierer integrierten Strömungssimulationsprogramm
eröffnet neue Möglichkeiten für einen effektiven, praxisgerechten Zugang zu den Berechnungsergebnissen. Beispielsweise können
Ergebnisdaten entlang einer CAD-Skizzenkurve ermittelt und in MS Excel automatisch als Grafik und Tabelle dargestellt und
ausgewertet werden. Die dafür verwendeten Vorlagen sind vom Anwender an das individuelle Corporate Identity anpassbar, so daß
direkt präsentationsreife Dokumente entstehen können.
Bild 3: Druckverlust in einem Einfachfilter
Bild: BOLL & KIRCH Filterbau
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BOLLFILTER Protection Systems
„Grundlage für die Auslegung von Filterneuentwicklungen waren in der Vergangenheit theoretische Betrachtungen und Berechnungen
von beispielsweise Druckverlusten sowie natürlich die Erfahrung, die man sich als etablierter Hersteller erarbeitet hat“,
schildert Karsten Cartarius, Entwicklungsingenieur bei Boll & Kirch Filterbau GmbH, die Ausgangssituation. „Verifizieren
konnte man die Auslegung allerdings frühestens am ersten Prototypen, zu diesem Zeitpunkt war die Konstruktion jedoch meist
schon weit fortgeschritten und Änderungen somit aufwendig. Hinzu kommt, daß unsere Kunden heute sehr genaue Auslegungsdaten
schon im Entwicklungsstadium erwarten und diese dann auch an gelieferten Filtern überprüfen. Die Einführung von CFD in unserem
Hause war somit beschlossene Sache.“ Die Ingenieure entschieden sich wegen „der Ausrichtung auf das ingenieurgerechte Arbeiten
und das für uns stimmige Preis-/Leistungsverhältnis“ für das Simulationssystem EFD.Lab von NIKA. Die ersten Gehversuche mit
Strömungsberechnungen waren dann auch schon recht positiv, wie Karsten Cartarius berichtet: „Der Einstieg fiel leicht, die
ersten Simulationsergebnisse flossen früher als erwartet in unsere Konstruktionen ein, somit wurde EFD.Lab sehr schnell zu
einem unverzichtbaren und intern von allen Bereichen anerkanntem Werkzeug.“ Das führte dann bald zu einer Ausweitung der
Berechnungsaktivitäten: „Dachten wir anfangs hauptsächlich an die Ermittlung der für uns als Filterhersteller wichtigen
Druckverluste und Erkenntnisse für optimierte Gehäusekonstruktionen, so kamen zwischenzeitlich viele Untersuchungen von
z. B. Aufheizvorgängen (beheizte Filter), Rückspül- und Reinigungsvorgängen (Filterkerzen von Automatikfiltern), durch
Strömung hervorgerufene Kräfte (Zentrifugen) usw. hinzu. Sehr hilfreich finden wir übrigens die ausgezeichneten Möglichkeiten
der Dokumentationserstellung.“ Resümierend kann Karsten Cartarius heute feststellen: „Die Strömungssimulation ist eine
wichtige Vorraussetzung, um unseren Anspruch auf technologisch aktuellste Produkte verwirklichen zu können. Ohne CFD geht
dies auf Dauer nicht, und EFD.Lab hat sich dabei als sehr gute Wahl für unsere Bedürfnisse erwiesen.“
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» Sonderdruck aus CITplus, 6/2006 (PDF, 392KB)
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