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Strömungssimulationen
Softwarelösungen für Simulationen mit NIKA
Der Trend zur Nutzung digitaler Produktdaten über den gesamten
Entstehungs- und Lebenszyklus eines Produktes schließt zunehmend
auch Strömungssimulationen ein. Geeignete Softwarelösungen für
Simulationen von Strömungs- und Wärmeübertragungsvorgängen ermöglichen
es Ingenieuren, allein auf der Basis von Fachkenntnissen,
brauchbare Ergebnisse in einem akzeptablen Zeitraum zu liefern.
Dr. Ivo Weinhold, Produktmanager NIKA GmbH
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Bild 1: Geschwindigkeiten und Temperaturen in einem Steuergerät
Bild: NIKA
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Der akzeptable Zeitraum für eine praxisgerechte, entwicklungsbegleitende Simulation in der Industrie wird in der Regel
direkt durch den Rhythmus der Designänderungen im Entwicklungsprozeß bestimmt. Die Simulationsergebnisse auf der Basis
eines Konstruktionsstandes müssen also so schnell in guter Qualität vorliegen, daß die daraus gewonnenen Erkenntnisse
bereits in den folgenden Änderungsschritt einfließen können.
Das ist das entscheidende Kriterium für praxisgerechte, entwicklungsbegleitende Simulationen in der Industrie.
Mit NIKAs Engineering Fluid Dynamics-Softwarefamilie können komplexe Strömungs- und Wärmeübertragungsberechnungen
auf sehr wirtschaftliche Weise in den Entwicklungszyklus industrieller Produkte einbezogen werden.
„Wir setzen seit nunmehr drei Jahren sehr erfolgreich das Simulationstool EFD.Lab ein.
Die Software ist inzwischen ein unverzichtbares Werkzeug innerhalb der Produktentwicklung geworden.
Sie erlaubt die bis dahin sehr aufwendige bis nicht mögliche Visualisierung von Effekten innerhalb der Fluidströmung.
Diese Möglichkeit der Visualisierung eröffnet dem Konstrukteur/Entwickler völlig neue Wege bei der Produktauslegung
und Optimierung“, bestätigt Rocco Kemnitz, Diplom-Ingenieur in der Abteilung Forschung und Entwicklung von
RAPA Rausch & Pausch GmbH, dieses Konzept.
Handhabung der Geometrie
Im Zeitalter des Digital Engineering liegt die Ausgangsvariante der zu untersuchenden Geometrie in der Regel als
3D-CAD-Datensatz vor. Deshalb liegt es nahe, diese Daten durch eine Integration der Simulationssoftware in die
jeweilige CAD-Umgebung direkt zu nutzen. Bei Strömungssimulationen entsteht nun jedoch das Problem, daß der für die
Berechnung zu betrachtende (leere) Strömungsraum in der originalen CAD-Konstruktion nicht als eigenständiges Teil
oder Baugruppe für die weitere Verwendung ausmodelliert vorliegt. Es ist deshalb ein spezielles Verfahren wie die
EFD-Technologie „Direct-CAD-to-CFD“ notwendig, um die Untersuchung des Strömungsraumes auch ohne dessen separate
CAD-Modellierung zu ermöglichen.
Bild 2: Geschwindigkeitsverteilung in einem Verbindungselement
Bild: NIKA
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Netzgenerierung
Die numerischen Methoden für Strömungsberechnungen, die sich heute in der Praxis durchgesetzt haben,
basieren mathematisch auf Diskretisierungsverfahren und erfordern ein Berechnungsgitter im Strömungsraum.
Die Anforderungen an die Qualität dieses Rechennetzes sind bei Strömungssimulationen besonders hoch, da die Qualität
der Ergebnisse und die Effizienz von Simulationsrechnungen direkt davon abhängig sind. EFD-Software hat deshalb einen
eigenen automatischen Netzgenerator integriert, der auch für sehr komplexe CAD-Geometrien mit wenigen oder keinen
zusätzlichen Benutzereingaben funktioniert. Das Ergebnis ist ein spezielles Netz für Strömungsberechnungen,
das eine numerisch besonders günstige Zellform verwendet und durch adaptives lokales Verfeinern gemäß geometrischer
und physikalischer Kriterien ressourcenschonende Analysen erlaubt. Die bereits erwähnte „Direct-CAD-to-CFD“-Technologie
ermöglicht dabei die direkte Vernetzung des zu untersuchenden Strömungsgebietes unter Verwendung der originalen CAD-Daten.
Berechnung
Die Qualität der physikalischen Modelle und numerischen Lösungsalgorithmen hat eine hohe Priorität. Auch hierfür bilden
Basistechnologien wie beispielsweise die Modified Wall Functions (MWF), die spezielle strömungsphysikalische Vorgänge
in Wandnähe beschreiben, oder das Konvergenzsteuerungssystem ACC für eine stabile Lösung der nichtlinearen
Differentialgleichungssysteme, das erforderliche Grundgerüst für hochwertige, aussagekräftige Berechnungsergebnisse.
Dieser Aspekt wird in der Praxis oft unterschätzt, ist jedoch in vielen Fällen ausschlaggebend für Erfolg oder Mißerfolg
einer Berechnung und schon deshalb ein entscheidender Produktivitätsfaktor für jedes Simulationsprojekt.
Auswertung und Dokumentation der Ergebnisse
Jedes Simulationsergebnis muß einer Plausibilitäts- und Genauigkeitsprüfung durch den Ingenieur unterzogen werden.
EFD-Software 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 Office-Programme für numerische Auswertungen in Tabellen und
Diagrammen oder für einen automatisierten Ergebnisreport erlaubt die effiziente Erstellung präsentationsreifer Dokumentationen.
Untersuchung von Varianten
In der Regel ist nicht nur die Berechnung eines einzigen Modells das Ziel, vielmehr wird die systematische Suche nach Ansätzen
für eine Verbesserung von Funktion und Design im Mittelpunkt des Interesses liegen. Das bedeutet in der Praxis, daß aufbauend
auf einem Ausgangszustand eine Vielzahl geometrisch und/oder physikalisch unterschiedlicher Varianten zu berechnen ist.
Mit computerbasierten Entwicklungsmethoden wie EFD können besonders zahlreiche und auch ungewöhnliche Varianten risikolos
„durchgespielt“ werden. EFD-Software baut deshalb als objektorientiertes Simulationssystem auf die in Konfigurationen
organisierten Varianten des parametrisierten CAD-Modells auf, um auch entsprechende Varianten eines EFD-Berechnungsprojektes
mit minimalem Eingabeaufwand zu erzeugen.
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