Strömungssimulation (CFD)
Mit der numerischen Strömungssimulation (CFD) können vielfältige thermische und Strömungseffekte berechnet werden. Sie spielt eine wichtige Rolle für die Sicherheit vieler Produkte unseres täglichen Lebens, wie für das Auto oder sogar das Haus, in dem wir wohnen. Die komplizierten Bewegungen einer Gas- oder Flüssigkeitsströmung abzubilden kann ziemlich verwickelt sein. Mit der CFD-Software SCTetra ist die Analyse solcher Strömungen einfacher als je zuvor. So kann der Anwender das Verhalten seiner Produkte schon vorhersagen, bevor praktische Versuche durchgeführt werden. Das Design wird schon früh im Entwicklungszyklus des Produktes strömungstechnisch optimiert. In manchen Fällen kann die Simulation die Versuche sogar ganz ersetzen. SCTetra ermöglicht Ingenieuren ein Verständnis des Strömungsverhaltens und ist ein intuitives, leicht einsetzbares Werkzeug.
Die Rolle von CFD in der Entwicklung
Heute ist eine der vordringlichsten Erwartungen an produktorientierte Firmen, dass sie hochwertige Produkte, die die Kundenbedürfnisse erfüllen, rasch auf den Markt bringen. Zusätzlich identifizieren erfolgreiche Firmen bereits vorab Szenarien, die zu Leistungseinbußen, Produktversagen und Kundenunzufriedenheit führen könnten, und entwickeln Lösungen, die diese Risiken mildern.
Software für die thermische und Strömungssimulation ist unverzichtbar für eine gut strukturierte Produktentwicklung, bei der zu einem frühen Zeitpunkt im Designprozess die besten Konzepte identifiziert werden. Schon in der Entwurfsphase wird die Designqualität verbessert durch grundlegende Studien der thermischen und Strömungseffekte, die das Produktverhalten direkt beeinflussen werden. Später bei der exakten Auslegung bilden die Simulationen die Einsatzbedingungen des echten Produktes ab. Daraus gewinnen die Entwickler rechtzeitig Erkenntnisse über Problemquellen, welche die Qualität beeinträchtigen würden, und finden bessere Lösungen, bevor die Produktion beginnt.
Die CFD-Software von MSC bietet zahlreiche nützliche Funktionalitäten:
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Anwendungen in der Industrie:
- Luft- und Raumfahrt und Verteidigung: Unter- und Überschallströmung, Fahrzeugaerodynamik, Wärmeübertragung
- Fahrzeugindustrie: Klimatisierung, Aeroakustik, Schwappen von Flüssigkeiten, Abgassystem, Aerodynamik, Motorkühlung, Enteisung, Getriebe
- Konsumgüter: Akustik, passive / aktive Kühlung, Fahrradhelme
- Elektronik: Bauteildesign, Thermalberechnung von Leiterplatten, Kühlung, LED-Berechnung
- Schiffbau: Akustik, Propellerdesign, Kavitation
- Maschinenbau: große Zuluftventilatoren, Gasturbinen, Windturbinen, Dampfturbinen, Pumpen, Waschmaschinen, Turbolader
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Die Mehrphasenanalyse ermöglicht die Verwendung von freien Oberflächen, Partikelverfolgung und Fluidvolumen. Angewendet wird sie zum Beispiel für Partikelablagerung, Welleneffekte auf Schiffe, Erschütterungen von Kraftstofftanks. |
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Mit unverbundenem und überlappendem (Overset-) Netz können bewegte Objekte auf verschiedene Arten simuliert werden. Das unverbundene Netz ermöglicht die Berechnung einer Kombination aus Rotation und Translation wie bei einer Kolbenpumpe, oder von Scherkräften bei einer Scheibenbremse. Das Overset-Netz kombiniert ein festes und ein bewegtes Netz. Damit können Anwendungen wie Verformung, Rotation, oder mehrere bewegte Bereiche simuliert werden. Beispielanwendungen mit Overset-Netz sind eine Zahnradpumpe oder das Öffnen und Schließen eines Motorventils. |
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Überschallströmung und Expansion / Kompression von Volumen können simuliert werden, dafür stehen ein druckbasierter und ein dichtebasierter Solver zur Verfügung. Der dichtebasierte Solver hält die Rechnung bei hohen Machzahlen stabil. Je nach Aufgabenstellung kann einer der beiden Solver für die Rechnung ausgewählt werden. |
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CFD kann alle drei Wärmeübertragungsarten berücksichtigen. Neben der freien und erzwungenen Konvektion kann auch die Strahlung berechnet werden, als Wärmestrom oder mit der Sichtfaktormethode. Bei der Sichtfaktorstrahlung sind auch Reflexion, Transmission und Brechung möglich. Die Siedesimulation berücksichtigt den Koeffizienten für die Blasenbildung. |
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Durch Druckschwingungen in Fluiden verursachter Schall, zum Beispiel Windgeräusche und durch Resonanz verursachte Geräusche, wird mit der Large-Eddy-Simulation (LES) und einem schwach kompressiblen Strömungsmodell abgebildet. Die Software ermöglicht auch eine Fast-Fourier-Transformation zur Vorhersage der Schallfrequenz.. |
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Ausgehend von vorherigen Simulationsergebnissen kann mit Optimus for Cradle das optimale Design gefunden werden. Der genetische Algorithmus unterstützt vielfältige Designvariablen und Zielfunktionen. |
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Von Import und Anpassung der Geometrie, Vernetzung und Simulation bis hin zum Erstellen eines Berichts können alle Schritte in der CFD-Software von MSC mit Visual Basic automatisiert werden. |