Was ist CFD-Simulation ?

Was ist CFD-Simulation?

In diesem Artikel beschäftigen wir uns mit dem Verständnis der CFD-Simulation im Allgemeinen und beschreiben die verschiedenen Schritte, die den unterschiedlichen Simulationsarten gemeinsam sind (Klimatechnik, Hydrologie, Wärmeübertragung, Schadstoffausbreitung, Brandschutz…).

Definition der CFD

Warum die CFD-Simulation nutzen?

Die CFD, Akronym für « Computational Fluid Dynamics », ist ein Ingenieurwerkzeug, das zu dem gehört, was man rechnergestützte Ingenieurtechnik (CAE) nennt. Genauer gesagt bezieht sich die CFD auf die Simulation der Strömung von Fluiden unter Berücksichtigung der beteiligten physikalischen und chemischen Phänomene (wie Turbulenz, Wärmeübertragung oder chemische Reaktionen).

Die CFD-Simulation: eine Alternative zu Windkanaltests

Die Windkanalversuche

Die Windkanalversuche haben zum Ziel, die Wechselwirkung zwischen dem turbulenten Wind und den Bauwerken nachzubilden. Für strukturell steife Bauwerke ist es möglich, die aerodynamischen Lasten an starren Modellen zu bewerten.

Windkanalversuche wurden in den letzten fünf Jahrzehnten für industrielle Anwendungen und im Bauwesen in großem Umfang eingesetzt.

Windkanaltests erfordern eine kostspielige Anlage und hochentwickelte Instrumente, um eine Reihe von Feldgrößen zu messen (Windgeschwindigkeit, Drucklasten, Turbulenzintensität usw.). Ihre wesentliche Einschränkung besteht darin, dass solche Messungen nur an einigen wenigen genauen Punkten des Prüfquerschnitts gewonnen werden, was das Gesamtverständnis der sich entwickelnden oder transienten Prozesse komplexer instationärer Phänomene (wie Wirbelablösung, turbulente Nachläufe und thermische Schichtung) erheblich einschränkt.

Untersuchung der natürlichen Belüftung im Windkanal

Die CFD-Simulation: eine Entwicklung nach Art eines Werkzeugkastens

Die CFD bietet im Vergleich zu Windkanalversuchen zahlreiche Vorteile für die Belüftung. Sie erzeugt nicht nur Simulationen im realen Maßstab (statt verkleinerter Modelle wie bei vielen physischen Simulationen), sondern liefert auch ergänzende Daten und ermöglicht es, für einen gegebenen Wind die Windgeschwindigkeiten gleichzeitig zwischen zwei Punkten zu vergleichen. Es ist möglich, Studien zur Hydrologie, Aeraulik oder Thermik in unterschiedlichen Maßstäben durchzuführen: von der Mikroelektronik bis zu Gebäude- und Stadtstudien. Die Ergebnisse können klarer visualisiert und einem breiteren Publikum erklärt werden.

Die CFD-Simulation: ein sehr breites Anwendungsspektrum

Diese Methoden ermöglichen es, ein sehr breites Spektrum von Fragestellungen zu lösen, die wir weiter unten vorstellen.

Was kann der Einsatz der CFD-Simulation bringen?

Dank der CFD-Simulation kann die Konzeption eines Verfahrens oder Produkts verbessert werden, ohne auf den Bau von Prototypen zurückzugreifen (zeit- und kostenintensiv); eine falsche Entscheidung kann vermieden werden; ein besseres Verständnis des Prozesses oder Produkts wird gewonnen, dank dessen es möglich ist, im Entwurfsprozess schneller voranzukommen (Auswahl der besten Lösungen) sowie Probleme zu lösen, die in bereits in Betrieb befindlichen Anlagen oder Prozessen auftreten.

Sobald der Rahmen eines physikalischen Problems formuliert werden kann, lässt es sich in einer numerischen CFD-Simulation untersuchen.

Wie organisiert sich ein CFD-Simulationsprojekt?

Wie viel Zeit sollte man für ein CFD-Projekt einplanen?

Allgemein umfasst ein Fluidsimulationsprojekt eine vorherige Untersuchung des zu analysierenden Prozesses oder Phänomens, die Erstellung eines detaillierten geometrischen Modells, die Wahl (und ggf. Umsetzung) der geeigneten mathematischen Modelle, die Anwendung der Betriebsdaten als Randbedingungen, die numerische Berechnung (die je nach Komplexität von wenigen Minuten bis zu einigen Tagen dauern kann) und die Analyse der Ergebnisse.

Trotz der Tatsache, dass in den letzten Jahren Anwendungen entwickelt wurden, um ihre Nutzung zu erleichtern, erfordert die korrekte Durchführung eines CFD-Projekts daher Erfahrung und einen erheblichen Ressourceneinsatz.

Definition der Fragestellung der Studie

Bevor wir mit einer Entwurfsstudie beginnen, müssen wir Ihnen einige wichtige Fragen stellen. Diese Fragen sind entscheidend, um die Geometrie zu bestimmen, mit der wir die Analysen beginnen, die Teile Ihres Entwurfs, auf die wir uns konzentrieren, und die Parameter, die nach Abschluss der Analyse zu beobachten sind.

Sobald diese Antworten vorliegen, die das Verständnis der Herausforderungen verbessern, beschreiben wir hier den CFD-Modellierungsprozess, der allen Projekttypen gemeinsam ist.

Aufbereitung des 3D-Modells

Wie wird das 3D-Modell einer CFD-Studie erstellt?

Eine effiziente Simulation beginnt mit guten Modellierungstechniken, sowohl in Bezug auf die Integrität des Modells als auch auf die geeignete Erstellung der verschiedenen Strömungsregionen und die Optimierung des Netzes. Der erste Schritt besteht darin, ein Modell für die Analyse der Fluidströmung zu konzipieren. Das bedeutet, die Geometrie zu modellieren, in der die Strömung stattfindet, und das Modell für die Simulation zu optimieren.

Das Modell für die Simulation optimieren

Das 3D-CFD-Modell für die Netzoptimierung vorbereiten

Um die Bewegung von Fluiden in einem Entwurf zu untersuchen, muss eine Modellierung der Strömungsregion vorhanden sein. Die meisten 3D-Modelle enthalten sie standardmäßig nicht: Es gilt dann, sie mit Software zu erstellen, die das ursprüngliche 3D-Modell ergänzt. Andererseits geht es auch darum, das Modell auf die Netzoptimierung in den Zonen mit hoher Bedeutung vorzubereiten. So fügen wir 3D-Teile hinzu — in den Renderings und CFD-Studien unsichtbar —, deren Aufgabe es ist, das Netz in den zu erfassenden Strömungszonen präzise zu verfeinern.

Was ist das Netz? (und warum ist es wichtig?)

Die Erzeugung des Netzes (3D) ist eine wichtige Phase einer CFD-Analyse, angesichts ihres Einflusses auf die berechnete Lösung. Ein Netz von sehr guter Qualität ist unerlässlich, um ein präzises, robustes und aussagekräftiges Berechnungsergebnis zu erhalten.

Finite-Elemente-Berechnungen

Vor der Durchführung einer CFD-Simulation wird die Geometrie in kleine Teile unterteilt, die Elemente genannt werden. Die Ecke jedes Elements ist ein Knoten. Die Berechnung erfolgt an den Knoten. Diese Elemente und Knoten bilden das Netz.

In dreidimensionalen Modellen sind die meisten Elemente Tetraeder: ein Element mit vier Seiten und dreieckigen Flächen. In zweidimensionalen Modellen sind die meisten Elemente Dreiecke.

Netzstruktur

Man unterscheidet das strukturierte und das unstrukturierte Netz, orthogonal oder frei. In einem strukturierten Netz in 3D erfolgt die Berechnung schneller, da sie nicht den Aufbau einer Verbindungsmatrix erfordert. In einem unstrukturierten Netz ist dies nicht der Fall. Sein Vorteil ist, dass es das Vernetzen beliebiger Geometrien ermöglicht; im Gegenzug können die Erstellung und Speicherung der Matrix die Berechnung stark verlangsamen. Dieser Netztyp wird für komplexe Geometrien verwendet, die Kurven oder eine große Anzahl von Elementen aufweisen.

Die festen Volumen benötigen wenige Elemente, im Gegensatz zu den Fluidvolumen, die eine präzise Verfeinerung erfordern, da sie nicht von einer quaderförmigen Geometrie abweichen können; tatsächlich besteht bei sehr stark verformten Elementwinkeln die Gefahr, dass die Berechnung nicht konvergieren kann.

Netzdichte

Hinsichtlich der Netzdichte gilt es, einen Kompromiss zwischen den Kosten der Rechenzeit und der angestrebten Genauigkeit zu finden. Es ist sinnlos, das Netz zu verdichten — und folglich die Anzahl der Iterationen zu erhöhen —, wenn die Genauigkeit mit einer begrenzten Anzahl von Elementen ausreichend ist.

Prinzip der Netzanpassung

Die Qualität des Netzes hat einen erheblichen Einfluss auf die Konvergenz, die Genauigkeit der Lösung und vor allem auf die Rechenzeit. Eine gute Netzqualität beruht auf der Minimierung der Elemente mit « Verzerrungen » und auf einer guten « Auflösung » in den Regionen mit starkem Gradienten (Spalt, Grenzschichten, Rezirkulation…).

Das Netz wird so angepasst, dass es in den kritischen Untersuchungszonen so fein wie möglich ist. Dies ermöglicht es, die makroskopischen Phänomene (Volumetrie des Gebäudes) zu berücksichtigen, die Stromröhren durch den Venturi-Effekt kanalisieren, und gleichzeitig die aeraulischen Phänomene kleinerer Skala korrekt zu erfassen (Luftverteilung).

Wie werden die CFD-Randbedingungen definiert?

Anfangsbedingungen

Die Anfangsbedingungen stellen die Eigenschaften der Strömung in Bezug auf Geschwindigkeit und Position der freien Oberfläche beim Start der Simulation dar. Wenn die Berechnung mit zufälligen Werten beginnt, läuft die Simulation schnell Gefahr zu divergieren. Um sich nicht zu weit von realistischen Ergebnissen zu entfernen und die Rechenzeit zu optimieren, werden die Anfangsbedingungen im Vorfeld der CFD-Studie untersucht und gewählt.

Randbedingungen

Die Untersuchung der Randbedingungen ist bei einer Modellierung entscheidend; man kann die Randbedingungen als die Hypothesen der Simulation zusammenfassen. Es handelt sich um den entscheidendsten Schritt für den Erfolg der Studie: Die Festlegung der projektspezifischen Randbedingungen muss von Beginn der Mission an Gegenstand einer detaillierten Untersuchung sein.

Lösungsmethode

Auswahl des Turbulenzmodells

Der Begriff des Turbulenzmodells ist in der Strömungsmechanik besonders. Er ermöglicht es, die verschiedenen Strukturen zu katalogisieren, die in einer Strömung koexistieren, und ihnen eine gewisse Bedeutung innerhalb der Strömung zuzuweisen.

Vergleichende Studien der Turbulenzmodelle von Combes [2000] haben das Modell mit zwei Transportgleichungen k-ε als das am besten geeignete für allgemeine Strömungen ausgewiesen. Es ist eines der meistgenutzten, leistungsfähigsten, einfachsten und am breitesten validierten Modelle. k steht für die turbulente kinetische Energie und ε für die Dissipationsrate dieser turbulenten kinetischen Energie. Logischerweise verwenden wir es für die meisten Fluidsimulationen in der Thermo-Aeraulik und Hydrologie, können aber für besondere Simulationen andere Turbulenzmodelle auswählen.

Berechnungsmethode

Die numerische Lösung wird durch die Linearisierung und Diskretisierung der Gesamtheit der Erhaltungsgleichungen geführt, was die Unterteilung des Rechengebiets in eine Anzahl nicht zusammenhängender finiter Volumen (das Netz) erfordert. Die Lösung der Studie besteht in der Lösung des nichtlinearen Gleichungssystems von Navier-Stokes auf Computerservern, die der CFD gewidmet sind.

Visualisierung der Ergebnisse

Grafische Synthesen

Die Strömung eines Fluids in einem Volumen ist im Allgemeinen komplex und weist zahlreiche Rezirkulationen mit niedriger Geschwindigkeit auf, was die Visualisierung auf einer Ebene schwierig macht. Wir geben die markantesten Phänomene durch Schnitt- bzw. Situationsebenen wieder, begleitet von sehr vollständigen Erläuterungen.

Wir verfügen über eine breite Palette von Darstellungen (Stromröhre, Vektorfeld, Isofläche…), die es ermöglichen, die identifizierten aeraulischen Phänomene bestmöglich im technischen Bericht wiederzugeben.

Die Interpretation der Ergebnisse erfordert die Beherrschung der CFD-Analysesoftware, vor allem aber Kompetenzen in Physik und Kenntnis des analysierten Produkts, um die verschiedenen Phänomene präzise zu erklären.

Synthese-Videos

Nach unserer Erfahrung werden für die markantesten Elemente Videos erstellt, die die verschiedenen Ansichten des CFD-Modells auf dynamische Weise aufgreifen. Der technische Bericht kann auf diese Videos verweisen, um seine Lektüre zu erleichtern — da sich bestimmte Phänomene auf einer Ebene als wenig verständlich erweisen.

Vor- und Nachteile der CFD-Simulation

Diese Fragestellungen werden dank der auf zahlreichen Projekten erworbenen Erfahrung der Ingenieure von EOLIOS sehr deutlich reduziert. Es ist wichtig, diese Art von Studie mit einem qualifizierten Team durchzuführen.

Was kostet eine CFD-Simulation?

Seien wir ehrlich: die CFD ist nicht das günstigste Ingenieurwerkzeug (im Vergleich zu einer Standard-CAD-Anwendung oder einer Tabellenkalkulation) angesichts ihrer Komplexität und ihrer Anforderungen (Erfahrung, Lizenzen, Rechenressourcen).

Im Gegenzug können die Ergebnisse, die diese Art von Studie bietet, und ihr Beitrag zu einem Entwurfs- oder Problemlösungsprozess nicht mit denen verglichen werden, die mit einfacheren Werkzeugen erzielt werden.

Die Verkürzung der Entwurfszeit, die Einsparungen beim Prototyping und die Verbesserung des Prozesses oder Produkts gleichen im Allgemeinen die Kosten der CFD-Simulation aus. Wir bieten Missionsprotokolle, die an jedes Budget angepasst sind.