CFD-Simulation

Die CFD-Simulation (Computational Fluid Dynamics, numerische Strömungsmechanik) ist die numerische Berechnung von Flüssigkeits- und Gasströmungen und der damit verbundenen Wärmeübertragung. Sie löst die Erhaltungssätze für Masse, Impuls und Energie (Navier-Stokes-Gleichungen) in einem Raum, der in kleine Zellen zerlegt ist. Das Ergebnis sind Geschwindigkeits-, Druck- und Temperaturfelder und daraus abgeleitete Größen wie Druckverlust, Durchfluss, Widerstandskraft oder Bauteiltemperaturen.

Aus dem CAD-Modell wird zunächst das Rechengebiet erzeugt, also der Raum, den das Fluid durchströmt (das Innere eines Rohrs oder Gehäuses, die Umgebung eines Körpers). Es wird vernetzt, meist mit verdichteten Zellschichten an den Wänden, wo sich die Geschwindigkeit stark ändert. Anschließend werden die Stoffeigenschaften des Fluids und die Randbedingungen festgelegt: Geschwindigkeit oder Volumenstrom am Einlass, Druck am Auslass, Wände, Wärmequellen und Lüfterkennlinien. Kommerzielle Programme arbeiten überwiegend mit der Finite-Volumen-Methode.

Die meisten technischen Strömungen sind turbulent, daher wird die Turbulenz über ein Modell abgebildet. In der Industrie überwiegen RANS-Modelle (etwa k-ε oder k-ω SST), die in vertretbarer Zeit ein zeitlich gemitteltes Ergebnis liefern. Genauer, aber um Größenordnungen aufwendiger sind LES-Verfahren. Aufgaben werden stationär gerechnet oder instationär, wenn es um Wirbelablösung, Füllvorgänge oder Pulsationen geht. Die gleichzeitige Berechnung der Wärme im Fluid und in den Festkörpern heißt konjugierte Wärmeübertragung (CHT).

Die Werkzeuge reichen von in CAD integrierten Modulen (etwa SolidWorks Flow Simulation) bis zu spezialisierten Programmen wie ANSYS Fluent, Simcenter STAR-CCM+ oder dem quelloffenen OpenFOAM.

Eine CFD-Simulation lohnt sich, wenn Strömung oder Wärme über die Funktion des Produkts entscheiden und Messungen am Prototyp teuer oder langsam wären: Kühlung von Elektronik und Schaltschränken, Auslegung von Lüftungsöffnungen und Kanälen, Druckverluste in Ventilen, Verteilern und Filtern, Lüftungstechnik, Mischvorgänge, aerodynamischer Widerstand oder die Umströmung von Gebäuden. Sie erlaubt es, mehrere Formvarianten zu vergleichen und die beste noch vor dem Prototypenbau auszuwählen.

Hilfreich ist sie auch, um ein Problem an einer bestehenden Anlage zu verstehen, etwa warum ein Bereich überhitzt oder wo eine ungleichmäßige Strömung und Geräusche entstehen.

Farbige Strömungsbilder wirken auch dann überzeugend, wenn die Berechnung falsch ist. Prüfen Sie die Konvergenz (sinkende Residuen und stabile Zielgrößen wie Druckverlust oder Temperatur), die Netzunabhängigkeit des Ergebnisses und ein ausreichend großes Rechengebiet, damit die Randbedingungen die Lösung nicht verfälschen. Turbulenzmodell und Wandauflösung des Netzes müssen zur Aufgabe passen, sonst sind vor allem Druckverluste und Wärmeübergang falsch.

Vergessen Sie bei passiver Kühlung durch freie Konvektion die Wärmestrahlung nicht, sie kann einen erheblichen Teil der Wärme abführen. Vergleichen Sie die Ergebnisse mit einer Überschlagsrechnung oder mit einer Messung an mindestens einem Punkt. Verlangen Sie vom Simulationsdienstleister eine Beschreibung der Randbedingungen, des Turbulenzmodells, des Netzes und der Konvergenzkriterien sowie konkrete Zahlenwerte, nicht nur Bilder.