7 Gründe, warum Simulation sinnvoll ist

Computational Fluid Dynamics (CFD) beschäftigt sich der Vorhersage von Fluidströmungen, Wärmeübergang, Massenübergang, chemischen Reaktionen und verwandten Phänomenen, indem die mathematischen Modelle, die diese Prozesse beschreiben, mithilfe eines numerischen Verfahrens gelöst werden. CFD wird zu einem immer wichtigeren Konstruktionswerkzeug im Ingenieurwesen und auch zu einem wesentlichen Forschungswerkzeug in bestimmten physikalischen Wissenschaften. Aufgrund der Fortschritte sowohl bei numerischen Lösungsverfahren als auch der Computertechnologie können auch geometrisch komplexe Fälle behandelt werden.

Floaten von Flachglas

Abbildung 1:

Temperaturverteilung im Glas einschließlich Geschwindigkeitsvektoren für den Spout-Lip Bereich innerhalb des Glasfloat-Verfahrens bei der Herstellung von Flachglas. In diesem Bereich fließt das Glas von der Spout-Lip auf das geschmolzene flüssige Zinn.

Durch den Einsatz dieser neuen Techniken können Designer bereits früh im Designzyklus überprüfen, ob ihre Produkte den Kundenanforderungen entsprechen. Das beschleunigt den Produktentwicklungsprozess und senkt die Kosten durch Reduzierung von Produktionsversuchen. Mit Hilfe von CFD können Materialeigenschaften, Wärmeübertragungsraten und chemische Reaktionen während des Prozesses und für das Endprodukt zu berechnet werden. Simulation hilft Ingenieuren, Einblicke in Probleme zu gewinnen, bei denen analytische Lösungen nicht möglich sind und/oder experimentelle Messungen zu schwierig bzw. zu teuer wären. Für komplexe Temperaturprobleme (insbesondere solche, die Wärmestrahlung beinhalten) oder die Simulation von Systemen mit chemischen Reaktionen ist CFD oft tatsächlich die einzige Option, da physikalische Modelle normalerweise bei Raumtemperatur laufen und für Experimente in einer Produktionsumgebung die Messung der Temperatur oft sehr schwierig ist und sehr große Ungenauigkeiten enthalten kann. CFD Simulationen laufen immer bei der richtigen Temperatur und ohne Stör- oder Seiteneffekte ab und berücksichtigen Änderungen in Dichte, Viskosität und Wärmeleitfähigkeit sowie den Wärmeübergangskoeffizienten.

Nachfolgend 7 Gründe, warum Simulation sinnvoll ist:

Kostenreduktion

Die Kosten für Simulationen sind in der Regel deutlich geringer als die Kosten für Experimente oder Produktionsversuche. Sie sinken seit Jahren, obwohl Computer leistungsfähiger werden.

Kürzere Entwicklungszeiten

Die Entwicklungszeit ist im Vergleich zu Produktionsversuchen oder Experimenten viel kürzer.

Ideale Bedingungen

Spezifische Effekte oder Bedingungen können isoliert oder unter idealen Bedingungen berechnet werden. Dies ist die Grundlage für das Verstehen der Prozesse und Voraussetzung für Optimierungen und Verbesserungen.

Ergebnisse zu jedem Zeitpunkt

Die Daten in Experimenten können nur an einer begrenzten Anzahl von Stellen im System gemessen werden. Im Vergleich zu Experimenten werden Simulationsergebnisse zu jedem Zeitpunkt berechnet. Der Detaillierungsgrad ist praktisch unbegrenzt und je komplexer die Situation, desto mehr Vorteile hat die Simulation.

Nur CFD kann in den Prozess hineinschauen

Im Vergleich zu Experimenten kann nur die CFD-Simulation in den Prozess hineinschauen und das Strömungsmuster oder die Wärmeströme sichtbar machen.

Schnelle Vorhersage und Prototyping

Prototypen können schnell analysiert und bewertet werden und durch die Simulation kann überprüft werden, was passieren kann, wenn sich beispielsweise eine Randbedingung ändert (wie beeinflusst die Erhöhung des Einlassmassenstroms die Qualität des Endprodukts?).

Vergrößert das Wissen

Simulation kann zu einem besseren Verständnis des Problems beitragen. Durch Simulation vergrößern Sie Ihr Wissen, schaffen die Grundlage für die Schulung von Designern und Ingenieuren und unterstützen den Wissensaustausch im Team. Darüber hinaus ist die Dokumentation des Prozesses und die Dokumentation des Projektfortschritts deutlich besser. Dadurch wird der Wissensaustausch in Ihrem Unternehmen verbessert und langfristig Qualität und Produktivität gesteigert.

CFD-Modellierung ist fast immer schneller als eine physische Modellierung oder die Durchführung von Produktionsversuchen. In vielen Fällen sind Konstruktionsergebnisse aus einem CFD-Modell mehrere Wochen oder Monate vor ähnlichen Ergebnissen aus Experimenten verfügbar. Und je komplizierter oder repetitiver die Modellgeometrie ist, desto mehr Vorteile hat das CFD-Modell. Sobald es erstellt ist, kann es gleichzeitig auf separaten Computern ausgeführt werden. Somit können mehrere Designs gleichzeitig bewertet werden. CFD-Modellstudien sind in der Regel 30-70 % günstiger als ein vergleichbarer experimenteller Aufwand, insbesondere wenn bereits ein CFD-Modell existiert. Dies hängt sehr stark mit dem Produkt und dem Produktionsprozess zusammen, der den Zeitplan beeinflusst. Außerdem können viele CFD-Aufgaben mit dem Computer automatisiert werden, einschließlich des Designoptimierungsprozesses, während Experimente oder echte Designänderungen natürlich nur manuell und meistens zeitlich seriell durchgeführt werden können.