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Strömung simulieren
Software – Der Windkanal setzt sich in der Konstruktion durch, zumindest per Computer.
Ein Weg zu optimierten Produkten führt über die numerische Simulation der Strömung.
Denn wer physikalische Vorgänge der Strömung kennt, ist klar im Vorteil.
Wie simuliert man Strömungen ohne Laborversuche?
Dr. Ivo Weinhold, Produktmanager NIKA GmbH
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Strompfade mit farbiger Darstellung der Geschwindigkeit.
Bild: NIKA
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Erst im letzten Jahrzehnt ist der numerischen Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics – CFD) der Einzug in die
Entwicklungsabteilungen der Industrie gelungen. Den Ausschlag gab die Verfügbarkeit von billiger Rechenleistung und modernen
mathematischen Algorithmen. Ein Impuls ging von der modellorientierten 3D-Konstruktion aus. Ganz im Trend der durchgängigen
digitalen Produktentwicklung können qualitativ hochwertige 3D-Produktmodelle für physikalisch-technische Simulationen
genutzt werden. Diese Idee führt zum Konzept des Product Lifecycle Management (PLM), alle produktbezogenen Daten, aus der
›Entwicklung, Nutzung und Verwertung eines Produktes werden durchgängig genutzt und verwaltet. Ein wichtiges Element
des PLM-Konzeptes ist die nahtlose Einbeziehung von Simulationen physikalischer Funktionen. Das umfasst die klassische
Festigkeitsberechnung mittels Finiten Elementen ebenso wie Akustik- oder Beleuchtungssimulationen. Das Angebot an
Simulationssoftware für diese Aufgaben beispielsweise für das PLM-System um CATIA V5 ist nahezu komplett. Nur nahezu,
denn Anbieter von Strömungssimulationssoftware waren bisher sehr zurückhaltend. Erst kürzlich hat NIKA aus Frankfurt am Main
mit EFD.V5, dem weltweit ersten Softwarepaket für die Berechnung von Strömungen und Wärmeübertragung, innerhalb von CATIA V5,
diese Lücke geschlossen. Was ist so schwer daran, Strömungsberechnungen in ein PLM-Konzept zu integrieren? Dazu muss eine
Reihe von technischen und konzeptionellen Voraussetzungen erfüllt sein: von der Integration in die Benutzerführung bis hin
zur konsistenten Nutzung gemeinsamer Produktdaten. Das Simulationsprogramm muss vollständig in die Benutzeroberfläche des
PLM-Systems eingebunden sein. In der Regel wird das durch eine offene Softwarearchitektur auf Basis einer Entwicklungsumgebung
wie CAAV5 von Spatial, Inc., seitens des PLM-Anbieters unterstützt. Spezialisierte Firmen können ihre Technologie direkt
integrieren und die vorhandenen 3D-Produktdaten innerhalb von CATIA V5 für die Berechnungen nutzen. Strömungssimulationen
haben 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 Vernetzung ausmodelliert vorliegt. Es ist deshalb ein spezielles Verfahren
wie NIKAs ›Direct-CAD-to-CFD‹- Technologie notwendig, um eine Vernetzung des Strömungsraumes ohne separate CAD-Modellierung zu
ermöglichen. Das übliche Verfahren, diesen Berechnungsraum aus dem CAD-Modell abzuleiten und extern mit einem separaten
Preprozessor zu vernetzen, ist im Kontext der PLM-Idee inakzeptabel. Dadurch gehen die Verbindungen zu den Originaldaten und
damit auch die Vorteile einer Integration in die CAD-Systeme wie featurebasierte Modellgeschichte und Parametrisierung verloren.
›Direct-CAD-to-CFD‹ vernetzt den Strömungsraum ohne separate CAD-Modellierung.
Bild: NIKA
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Numerische Methoden für CFD-Berechnungen, die sich heute in der Praxis durchgesetzt haben, basieren mathematisch auf
Diskretisierungsverfahren und erfordern ein Berechnungsgitter im Strömungsraum. Der Zeitaufwand für die manuelle Erzeugung
eines qualitativ hochwertigen CFD-Netzes für industrierelevante Aufgabenstellungen ist oft die bestimmende Größe für die
Gesamtbearbeitungszeit einer Simulationsrechnung. Diese Gesamtbearbeitungszeit ist jedoch der kritische Faktor, der über den
Nutzen entwicklungsbegleitender Strömungssimulationen entscheidet. Das Gesamtprojekt, beginnend mit dem ersten Zugriff auf
das 3D CAD-Modell bis hin zur Präsentation der verifizierten Berechnungsergebnisse im Entscheider-Meeting, muss zeitlich
mit den internen Entwicklungszyklen Schritt halten. Werden die Ergebnisse zu spät oder in schlechterer Qualität geliefert,
sind sie wertlos.
Zugriff auf CAD-Daten
PLM-integrierte Strömungssimulationen brauchen deshalb einen automatischen Netzgenerator, der ohne Eingabeaufwand qualitativ
hochwertige, für Strömungsberechnungen optimierte Gitter liefert. Dabei spielt die direkte Zugriffsmöglichkeit auf die
originalen CAD-Daten eine große Rolle, da nur so eine hohe Genauigkeit bei der Abbildung der Strömungsgeometrie durch das
Rechennetz sichergestellt wird. Die im Simulationspaket EFD.V5 für CATIA V5 enthaltene Vernetzungstechnologie RAM
(Rectangular Adaptive Mesh) bietet alle Voraussetzungen dafür. Historisch bedingt erfordern CFD-Programme oft umfangreiche
Parametereingaben, um die angebotenen physikalischen Modelle vollständig zu definieren. Die dabei verwendeten Bezeichnungen
entstammen, ebenfalls historisch bedingt, oft dem akademischen Sprachgebrauch und verlangen umfangreiche ›Übersetzungsleistungen‹
ab, bevor die Werte eingegeben werden können.
Strömungsberechnung erleichtert die Konstruktion eines Katalysators.
Bild: NIKA
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Solche Modelle sind für PLM-integrierte Strömungssimulationen nutzlos. Ingenieure haben eine bestimmte Arbeitsweise, an die
sich die Simulationssoftware anzupassen hat. Dazu gehört die Beschränkung der geforderten Eingaben auf ingenieurtechnisch wichtige
Daten sowie die klare Bezeichnung mit praxisüblichen Begriff en. Das Engineering User Interface von EFD.V5 bietet neben der
Orientierung am vertrauten Windows-Standard Hilfestellungen, um die Modelldefinition zielorientiert durchzuführen und Fehler
frühzeitig zu erkennen.
Darstellung der Strömung in einem Kugelventil.
Bild: NIKA
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Die Suche nach der optimalen Lösung für eine strömungsgerechte konstruktive Gestaltung ist in den meisten Fällen das zentrale
Ziel der Simulationsrechnungen. Die Folge ist, dass eine große Zahl von Varianten simuliert werden soll, die sowohl Modifikationen
in den geometrischen Parametern als auch in den physikalischen Eingabegrößen und Strömungsbedingungen beinhalten. Es ist gerade einer
der großen Vorteile computerbasierter Simulation, dass risikolos und kostengünstig Variantenuntersuchungen und Parameterstudien
ohne ›Materialeinsatz‹ durchgeführt werden können. Dafür ist eine moderne PLM-Umgebung die ideale Plattform, da die Bauteile und
Baugruppen bereits parametrisiert und strukturiert vorliegen und so gezielte Änderungen der Parameterwerte sehr einfach erfolgen
können. Dieses Feature-Konzept muss natürlich die Simulationssoftware fortschreiben und zusätzlich zu den geometrischen Parametern
die entsprechenden Strömungsparameter objektorientiert als Feature anbieten und direkt im Feature-Baum des CAD-Systems verwalten.
EFD.V5 unterstützt darüber hinaus sogar die Verbindung zu Varianten aus Konstruktionstabellen, um eine Serie von Projekten zu
definieren und diese dann automatisiert abzuarbeiten.
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» k-magazin, 3/2004 (PDF, 3.488KB)
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