Definition
CFD steht für Computational Fluid Dynamics, also numerische Strömungssimulation. Der Begriff Strömungssimulation umfaßt dabei auch die angrenzenden Gebiete der Thermodynamik, der Wärme- und Stoffübertagung, thermischer Spannungsanalysen, chemischer Reaktionen etc.
Strömungen und verwandte Phänomene können mit Differentialgleichungen beschrieben werden. Diese Differentialgleichungen lassen sich aber nicht analytisch lösen - von wenigen Spezialfällen abgesehen. Um trotzdem eine technisch verwendbare Strömungslösung zu erhalten, müssen diese Differentialgleichungen näherungsweise gelöst werden: mit Hilfe numerischer Berechnungsverfahren auf einem räumlichen Berechnungsgitter.
Typischer Ablauf einer CFD Simulation
- Analyse der Problemstellung
- Festlegen der Fragen, die per Simulation zu beantworten sind
- Auswahl der physikalischen Modelle
- Definition des Strömungsgebietes
- Wahl der numerischen Parameter
- Pre-Processing
- CAD-Modellierung bzw. CAD-Cleanup
- Erzeugen eines Oberflächennetzes
- Erzeugen eines Volumennetzes
- Setzen von Randbedingungen, Stoffwerten und numerischen Parametern
- Simulation
- Näherungsweises Lösung des Gleichungssystems
- Post-Processing
- Kritische Analyse der Berechnungsergebnisse
- Export der Ergebnisse und Berichtserstellung
- Festlegen der Parameter für eine weitere Optimierungsschleife
Einsatzgebiete für CFD
Typische Einsatzgebiete für CFD sind Strömungen von Flüssigkeiten, Gasen und Schüttgütern. CFD betrifft darum sehr viele und ganz verschiedene Produkte, Prozesse und Branchen.
Als Beispiel sollen die verschiedenen Strömungen in einem PKW angeführt werden.
Neben der Aerodynamik gibt es auch die Kühlung von Motor, Motorraum und Bremsscheiben , die Strömungs- und Verbrennungsprozesse im Zylinder und den Katalysatoren sowie die Klimatisierung der Fahrgastzelle, um nur einige Anwendungsbereiche zu nennen.
Nachfolgend finden Sie stichwortartig einige Beispiele für die Anwendung der numerischen Strömungssimulation in verschiedenen Industrien und Bereichen der wissenschaftlichen Forschung:
- Automobilbau: Aerodynamik, Verbrennung, Kühlung, Klimatisierung
- Luft- und Raumfahrt: Aerodynamik, Flügeldesign, Klimatisierung, Rohrleitungssysteme
- Elektronik: Bauteilkühlung, Lüfterakustik
- Medizintechnik: Inhalatoren, Filter
- Chemische Industrie: Reaktoren, Mixer, Mehrphasenströmung, chem. Reaktionen
- Maschinenbau: Pumpen, Verdichter, Wärmetauscher, Ventile
- Sport: Aerodynamik von Helmen, Fahrrädern, Skibindungen und Sportlern
- Kraftwerkstechnik: Brenner, Öfen, Druckkessel, Abgasnachbehandlung
- Wasserversorgung: Filter, Rohrleitungssysteme, Klärbecken, Hochbehälter