3D Berechnungsprogramme

TuRBULeNZMODELLE

Large Eddy Simulation
Die LES ist die komplette numerische Lösung der unstationnären Navier-Stockes Gleichungen. Sie benötigt eine extrem hohe Rechenleitung, oft benutzt für die Aerodynamik von Flugzeugen und Autos.

k-ε Turbulenzmodel
in Kombination mit dem logarithmischen Wandgesetz ist es die standard Annäherung. Es erlaubt mit einem groben Gitter zu rechnen; die Wärmeübertragung wird dabei systematisch unterschätzt.

SST k-ω, Niedrig-Reynolds Turbulenzmodel
Die SST Fomulierung ist genauer als standard Modele in Hinblick auf Strömungsprofile, Wärmeübertragung und Rückströmungen.  Sie benötigt ein sehr feines hochwertiges Hexahedern Gitter in Wandnähe. Die Gittergenerierung für komplexe Geometrien wird aufwendig und die Rechenzeit sehr lang.

Programme für Geometrie angepasstes Gitter

Die bekannten Softwares sind CFX®, Fluent® and STAR-CCM®; sie sind alle drei umfangreich, können in den meisten Fällen angewendet werden und bieten mehre Turbulenzmodelle. Die Generierung eines an die Geometrie angepassten Gitters ist meist die zeitaufwendigste Operation des ganzen CFD-Prozesses. Wenn die Geometrie einfach ist, kann das Volumen vollständig mit Hexaedergittern generiert werden. Für komplexere Geometrien sind Hexaedergitter in Wandnähe und Tetraedergitter anderswo sehr verbreitet.

CFD Intensivanwender wie die Entwickler von Dampfturbinen, Gasturbinen oder Triebwerken bevorzugen eigene Programme mit denen sie schneller Parametervariation durchführen können und die genauere Turbulenzmodelle und eine bessere Integration im eigenen Auslegungsprozess bieten.  Ein erfahrener CFD-Berechnungsingenieur beherrscht mehrere Programme und kann für die vorliegende Aufgabe die optimale Software einsetzen.

Programme für cartesisches Gitter

FloEFD®,  entwickelt von Mentor Graphics, ist ein kombiniertes Programm für die Generierung von kartesischen Gittern und die Strömungsberechnung. Die Grundversion von FloEFD ist eingebettet im CAD-Programm Solidworks®. FloEFD ist auch in Kombination mit CATIA.v5, Siemens NX, Solid Edge, Inventor oder Creo ® verfügbar.
FloEFD kann sogar mit CAD von schlechter Qualität arbeiten, zum Beispiel zwei Bauelemente die interferieren. Durch die Integration mit dem CAD-System sowie durch das Auslassen der Gittergenerierung können Konstrukteure und Ingenieure sich vergleichsweise schnell einarbeiten, auch wenn sie keine ausgebildeten Strömungsingenieure sind.

Die Interpolation der Gitterzellen zu den Oberflächen erfolgt durch automatisch erzeugte, geschnittenen Zellen. Die Ungenauigkeiten aufgrund dieser Interpolationen verschwinden mit zunehmender Zellenzahl. Es empfiehlt sich deshalb, die Endberechnungen mit höherer Zellenzahl auszuführen.
FloEFD bietet das k-ε Turbulenzmodell mit Wandfunktionen, hergeleitet vom Van Driest-Geschwindigkeitsprofil; dabei werden zwei unterschiedliche Annäherungen des Profils in Wandnähe, in der so genannten Grenzschicht, gemacht, jeweils eine für die dünne und eine für die dicke Schicht. Das Van Driest-Profil gehört zu den vertrauten Grenzschichtannäherungen. Für normale Anwendungen sollte dies genügen.

Programme MultiPhysics

COMSOL® ist eine umfangreiche Software, die es ermöglicht, den Elektromagnetismus, die Wärmeübertragung, die Strömung, die Akustik oder die Mechanik gemeinsam zu berechnen; diese gekoppelte fachübergreifende Simulation wird mit grosser Mehrheit befürwortet. Dennoch in der Praxis arbeiten Anwender überwiegend mit groben unstrukturierten Tetraedergittern. Eine hohe Rechengenauigkeit ist hier für die Strömung und die Wärmeübertragung nicht zu erwarten.

 

Aufgenommener  Webinar:
Power Electronics Cooling Calculation at Room Level
Lernen Sie: - die Bedeutung der Raum-Ebene, - der Arbeitspunkt des Lüfters zu bewerten, - die Thermik zu betrachten ohne die Wärmeübertragung zusätzlich zur Strömung zu berechnen.

Aktuell:
Artikel im Mai 2017 über E-Cooling in
Zeitschrift Engineering Edge
(Artikel auf Seiten 18-19)