Strömungsberechnungssimulation

Die Strömungsberechnung simuliert die Dynamik von Fluiden wie Flüssigkeiten und Gasen sowie suspendierten Partikeln und Gemischen aus diesen. Das Verhalten von Fluiden wird durch Modelle wie Navier-Stokes-Gleichungen und der Lattice-Boltzmann-Methode beschrieben, mit Variablen wie Druck, Dichte, Schüttviskosität, dynamische Viskosität, Geschwindigkeit und Beschleunigung. In vielen Szenarien verfügen die Gleichungen der Fluiddynamik oft über keine bekannte analytische Lösung, insbesondere für komplexes Verhalten wie Turbulenz. Daher ist eine CFD-Simulation erforderlich, um sie zu lösen.

Das Auflösen der Fluidströmungsgleichungen ist nicht trivial – es gibt keine bekannte allgemeine analytische Lösung für die Navier-Stokes-Gleichungen, was bedeutet, dass numerische Methoden verwendet werden müssen. Begrenzungselement-, Finite-Elemente- oder Finite-Differenz-Methoden gehörten anfangs zu den gängigsten CFD-Simulationsmethoden, aber die Finite-Volumen-Methoden haben in den letzten 20 Jahren an Bedeutung gewonnen und sind mittlerweile Standard. In jüngster Zeit bedeutet die verbesserte Hardware-Leistung, dass auch Lattice-Boltzmann-Methoden praktikabel geworden sind.

Da es keine beste CFD-Simulationsmethode für alle Anwendungen gibt, müssen Ingenieure das richtige Werkzeug für den jeweiligen industriellen Workflow auswählen.

Die Kombination aus Eulerscher-Lagranger-Methode und geglätteter Teilchenhydrodynamik (SPH) ist ideal für stark gekoppelte FSI-Probleme (Fluid-Structure Interaction, Interaktive Strömungsstrukturen), z. B. das nicht komprimierbare Verhalten von Hydraulikflüssigkeiten. Diese Methoden sind in SIMULIA Abaqus/Explicit implementiert.

Der Finite Volume Solver eignet sich besser für konstante oder mäßig transiente Strömungen, wie sie in Rohrströmungen, Wärmetauschern, Pumpen und HLK-Anwendungen vorkommen. Diese Methode wird in SIMULIA Fluid Dynamics Engineer (FMK) verwendet.

Als transiente Technik ist die Lattice-Boltzmann-Methode (LBM) für stark transiente Strömungen wie Aerodynamik und Aeroakustik besser geeignet. Sie kann sowohl in Bezug auf geometrische Komplexität als auch auf Details anspruchsvolle Modelle verarbeiten. Die LBM-Technologie eignet sich auch für mehrphasige Anwendungen mit komplexen Modellen, die sogar frei bewegliche Teile enthalten können. Dassault Systèmes SIMULIA bietet zwei LBM-Produkte an. SIMULIA PowerFLOW ist ideal für aerodynamische, akustische und Szenarien im Bereich der Schmutzabweisung, die in der Luft- und Raumfahrt und in der Automobilindustrie häufig vorkommen. SIMULIA XFlow wird wiederum typischerweise für komplexe, sich bewegende Mehrphasenprobleme wie Schmierung, Oberflächeneffekte von Flüssigkeiten und einige Life-Science-Anwendungen verwendet.

Beide Methoden sind leistungsstarke CFD-Solver, aber sie verwenden unterschiedliche Ansätze und haben unterschiedliche Vorteile. Navier-Stokes-Methoden behandeln die Flüssigkeit als Kontinuum, während die Lattice-Boltzmann-Methode sie als diskrete Partikel behandelt.

Um die Navier-Stokes-Gleichungen rechnerisch zu lösen, wird der zu simulierende physische Raum in viele kleine Unterdomänen unterteilt, die als Kontrollvolumen oder -zellen bezeichnet werden. Die Gleichungen werden über die Zellen hinweg diskretisiert und der resultierende Satz algebraischer Gleichungen wird iterativ gelöst, um den Druck, die Geschwindigkeit, die Temperatur (und andere physikalische Größen) in jeder Zelle für stationäre oder instationäre Strömungen zu erhalten. Zusätzliche diskretisierte Transportgleichungen können auf die gleiche Weise gelöst werden, um andere physikalische Phänomene wie Turbulenz und chemische Spezies darzustellen.

Die Lattice-Boltzmann-Methode der CFD-Simulation verfolgt die mikroskopische Bewegung von Fluidpartikeln durch diskrete Räume und Zeit, um die Strömung von Gasen und Flüssigkeiten zu simulieren. Der Fluidraum wird automatisch in kubische Voxel und Grenzen in Oberflächen diskretisiert, wodurch die Erzeugung eines konventionellen Oberflächen- und Volumengitters entfällt. Der VLES-Turbulenzmodellierungsansatz (Very Large Eddy Scale) stellt sicher, dass anisotrope Fluidstrukturen mit hoher Genauigkeit erfasst werden, was für aerodynamische und aeroakustische Workflows von entscheidender Bedeutung ist.

Ja, mehrere High-Performance-Computing-Technologien (HPC) können die CFD-Simulation beschleunigen. Die GPU-Beschleunigung beschleunigt den Simulationsprozess und ermöglicht die Simulation größerer und komplexerer Modelle auf einer einzigen Workstation. Eine GPU kann die Leistung von über 1000 CPU-Kernen aufweisen – GPUs senken die Hardwarekosten und ermöglichen Desktop-Supercomputing. Die Multi-GPU-Beschleunigung bietet noch mehr Geschwindigkeit und löst extrem große oder komplexe Szenarien, die sonst nicht simuliert werden können. Die GPU-Beschleunigung kommt allen CFD-Codes zugute, ist aber besonders effektiv für die LBM-Simulation (Lattice-Boltzmann-Method).

Cluster-Computing kann sogar noch größere Szenarien simulieren. Die Cloud bietet eine bessere Kontrolle über Stapelsimulationsprozesse. Sowohl lokale als auch Online-Cloud sind verfügbar. Die lokale Cloud verwendet Hardware, die vom Unternehmen des Benutzers betrieben wird, während die Online-Cloud die Daten zur Verarbeitung an sichere Server sendet. Die Online-Cloud ist eine gute Option für Anwender mit unregelmäßigen oder periodischen Simulationsanforderungen, sodass keine Investitionen in Hardware erforderlich sind, die nur gelegentlich verwendet werden würde.