Einführung in die CFD-Strömungssimulation
für Anfänger

Strömungssimulation (oder CFD = Computational Fluid Dynamics = numerische Strömungsdynamik bzw. CFD Strömungssimulation) ist ein Zweig der Strömungsmechanik, der numerische Methoden verwendet, um strömungsmechanische Probleme zu lösen. Mit Hilfe von Computern werden Berechnungen durchgeführt, die erforderlich sind, um die Wechselwirkung von Flüssigkeiten und Gasen mit Oberflächen, die durch Anfangs- und Randbedingungen definiert sind, zu simulieren.

Die fundamentale Basis fast aller CFD Strömungssimulations-Fälle sind die Navier-Stokes-Gleichungen. Bei den Navier-Stokes-Gleichungen handelt es sich um ein System von nicht-linearen partiellen Differentialgleichungen 2. Ordnung. Zu den Gleichungen gehören die Impulsgleichung, die Kontinuitätsgleichung und die Energiegleichung. Dies ist das grundlegende mathematische Modell der Strömungsmechanik. Sehr oft werden zusätzlich Stoffgleichungen gelöst, um den Stofftransport im Fluid berechnen zu können.

Bei der numerischen Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen kommen Verfahren der numerischen Strömungsmechanik zum Einsatz. Als Diskretisierungen werden sowohl Finite-Differenzen-, Finite-Elemente-und Finite-Volumen-Verfahren verwendet. Im kommerziellen sowie im Open-Source-Bereich wird der Markt von Produkten beherrscht, die auf der Methode der finiten Volumen (FVM) basieren. In dem weiten Feld der gitterfreien Solver, welche direkt die Navier-Stokes-Gleichungen lösen, sind die finiten Punkte-Methoden sehr weit verbreitet. Die sogenannten Partikelmethoden lösen die Boltzmann-Gleichung (Lattice-Boltzmann-Methode, Smoothed Particle Hydrodynamics-Methode).

Da die NOGRID CFD Software für die Simulation von Strömungen direkt die Navier-Stokes-Gleichungen löst und das Kontinuum mittels der finite Punktewolke diskretisiert, basiert der NOGRID Solver zwar auf einer gitterfreien Methode, zählt aber nicht zu den Partikelmethoden.

Die NOGRID points CFD Software ist geeignet für alle Simulationsaufgaben aus dem weiten Feld der Strömungs- und Kontinuumsmechanik. Die Software löst nicht nur Fluidströmungen, sondern auch Probleme mit elastischen oder plastischen Verformungen. NOGRID points berücksichtigt alle dickflüssigen als auch elastischen/plastischen Spannungstensoren sowie jegliche Mischung davon.

Der NOGRID-Simulationssoftware liegt eine der modernsten Technologien aus dem Gebiet der numerischen Strömungssimulation zugrunde. Klassische numerische Methoden (wie z. B. die Finite Elemente- oder die Finite Volumen-Methode) benötigen für die Simulation ein zeitaufwendig zu erstellendes Gitternetz. Die NOGRID points CFD Strömungssimulations-Software basiert auf einer gitterfreien Methode, welche zum Simulieren von Strömungen im Gegensatz zu den klassischen numerischen Methoden kein Gitter bzw. Netz benötigt.

Die Einführung von CFD-Software (Strömungssimulationssoftware) in einem Unternehmen erfordert sehr oft einige Vorbereitungen. Wie die User wissen, beeinflussen viele Parameter und Bedingungen die Eigenschaften des Endprodukts und seine Qualität.

Wenn beispielsweise die Flüssigkeitsviskosität nicht genau bekannt ist, können die Ergebnisse der Simulation stark variieren. Dasselbe gilt für die Anfangsbedingungen. Aus praktischer Sicht ist es oft nicht möglich, die Anfangstemperatur einer Flüssigkeit vollständig zu messen. Unternehmen versuchen, die Temperatur in Forschungsprojekten zu messen, aber die gemessene Temperatur schwankt sehr oft (insbesondere bei Glastropfen in der Glasindustrie).

Aus all diesen Gründen muss der Ingenieur Annahmen für die Simulation treffen und die Simulationsergebnisse experimentell beweisen und anpassen.

Für die Einführung der CFD-Software in einem Unternehmen sind in der Regel 3 Schritte erforderlich:

1. Proof-of-Concept-Phase
2. Pilotphase
3. Produktionsphase

Eine der Möglichkeiten, einen Proof-of-Concept durchzuführen, besteht darin, einen Benchmark zu erstellen und diesen Benchmark mit dem neuen Simulationstool zu berechnen. Die Anzahl der in dieser Phase zu untersuchenden Benchmark-Varianten hängt von der Branche ab, sollte aber nicht unter 3 liegen. Aufgrund der komplexen Physik in jeder Branche sind sicherlich mehr Tests erforderlich.
In dieser ersten Phase wird das Simulationstool in kleinem Maßstab verwendet, wobei genügend Zeit bleibt, um verschiedene Möglichkeiten zu erkunden, wie es verwendet werden kann.
Für diese Proof-of-Concept-Phase sollten Ziele festgelegt werden, um das zu erreichen, was im aktuellen organisatorischen Kontext erforderlich ist.

In der zweiten Phase, der Pilotphase, beginnen ein oder mehrere qualifizierte Designer/Ingenieure damit, die Simulationssoftware in der eigenen Produktionsumgebung zu evaluieren. Die Benutzer versuchen, die beste Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation zu finden:

1. Messen Sie alle experimentellen Daten, die für den Produktionsfall oder Benchmark verfügbar sind.
2. Berechnen Sie den Prozess, indem Sie die Eigenschaften und Bedingungen anpassen, bis Sie die beste Übereinstimmung zwischen Simulation und Realität erreichen.

Nach Schritt b. kann der Benutzer damit beginnen, das Produktdesign oder die realen Prozessbedingungen zu ändern und durch Simulation zu testen.

Wenn auch für den neuen Benchmark eine gute Übereinstimmung gefunden wird, war die Simulation erfolgreich und sollte in der Lage sein, zukünftige Produkt-/Produktionsänderungen korrekt vorherzusagen.

In dieser Pilotphase werden die meisten unbekannten Bedingungen und Eigenschaften gefunden. Darüber hinaus wird erwartet, dass eine Pilotphase Schwierigkeiten oder Probleme hat – sie sollten so gelöst werden, dass sie später von allen genutzt werden können.

Das Pilotprojekt sollte mit allen möglichen Produkten an verschiedenen Orten experimentieren, um möglichst viele Bedingungen in die Einstellungen einzubeziehen. Die Ziele eines Pilotprojekts für ein neues Tool sind:

• Mehr über das Werkzeug im Detail zu erfahren und unbekannte Bedingungen und Materialeigenschaften abzuschätzen und zu bewerten.
• Zu sehen, wie das Tool zum realen Prozess passt.
• Eine Entscheidung über Standardmethoden zur Verwendung des Tools zu treffen, die für alle potenziellen Benutzer funktionieren.
• Bewertung des Pilotprojekts anhand seiner Ziele (wurden die Vorteile zu vertretbaren Kosten erzielt?).

Wenn die Pilotphase erfolgreich abgeschlossen ist, kann schließlich die dritte Phase – die Produktionsphase – gestartet werden. In dieser Phase wird die Software allen Konstrukteuren/Ingenieuren zur Verfügung gestellt, um ein Produkt oder einen Prozess zu optimieren oder einfach zu prüfen, ob ein neues Produkt Schwierigkeiten bereitet oder einfach gut funktioniert, ohne etwas zu tun, bevor es in die Produktion geht.