3D-CFD Berechnungsmodell

 

Der Berechnungsingenieur ist verpflichtet gewisse Vereinfachungen hinzunehmen, um Zeit- und Kostenanforderungen des Projekts gerecht zu werden. Die CFD-Aufgabe sollte zumindest am Anfang stark vereinfacht werden, damit schnell erste Ergebnisse erzielt werden. Dann wird Schritt für Schritt die endgültige, genauere Grundberechnung vorbereitet. Nur die Endberechnungen sollten detailliert, mit höherer Zellenzahl ausgeführt und dokumentiert werden.

STEP und Parasolid CAD-Format

Jedes CAD-Programm (Solid Edge, Siemens NX, CATIA, Solidworks, Autodesk Inventor ...) hat ein eigenes Datenformat. Jedes Programm kann dennoch ins universale lesbare STEP-Format exportieren. Bei der Konvertierung von 3D-Bauteilen in Neutralformate STEP, treten oft Fehler auf. Alle Befehle sind nicht mehr vorhanden und können deshalb weder geändert noch unterdrückt werden. Parasolid ist ein Modellierkern für 3D-CAD-Systeme, der von Siemens PLM Software übernommen wurde. Es gibt hunderte von Parasolid basierende Programme, die bekanntesten sind Solid Edge, Solidworks und NX Siemens. Das Parasolid „x-t“ Format ist die beste Wahl, um CAD-Geometrie für CFD-Berechnungen zu exportieren.

Import, Korrektur und Vereinfachung der CAD-Geometrie

Die 3D Geometrie wird erstmal in elektronischer Form benötigt. Ich empfehle die Geometrie mit einem professionellen CAD-Programm zu erzeugen. Wenn diese bereits vorhanden ist, musste sie noch öfter korrigiert und auch vereinfacht werden. Details wie Schrauben, kleine Löcher und Verrundungen müssen unterdrückt werden, um Fehler beim Modellaufbau zu vermeiden, und um die Rechenzeit zu verkürzen.
Heutzutage wird CAD als Volumina erzeugt, manche CFD-Tools wie CFX oder OpenFoam benötigen immer noch Oberflächen als Input, die Konvertierung erfolgt mit zusätzlichen Software wie Ansys Design Modele, Spaceclaim, Salome oder Ansa.
Manche CFD-Tools sind in ein CAD Tool integriert, das Importieren und Exportieren von CAD-Daten wird deshalb verbrauchernah übersprungen. Sowohl Solidworks Flow Simulation als Flotherm XT sind vollständig in Solidworks eingebettet, jedoch nicht nativ in andere 3D CAD-Systeme integriert. FloEFD ist eine bessere Wahl, wenn ein anderes CAD-System als Solidworks verwendet wird, da FloEFD sich auch mit PTC Creo, CATIA v5, Solid Edge, Pro/ENGINEER Wildfire, Autodesk Inventor und Siemens NX integrieren lässt.

Randbedingungen und Parameter

Nachdem das Berechnungsgitter erzeugt wurde, kann im Tool die Berechnung vorbereitet werden:
Die Einlassrandbedingungen müssen eingegeben werden, meist als Massenstrom oder Druck; die CFD-Software FloEFD bietet aber auch die Alternative, die Eigenschaften eines Lüfters einzugeben.
Falls auch die Berechnung der Wärmeübertragung erwünscht ist, müssen die Wärmequellen vorgegeben werden.
Für die Simulation eines rotierenden Bereichs genügt die Eingabe eines zylindrischen Koordinatensystems und einer Drehzahl; das Programm addiert Quellterme in den Strömungsgleichungen, um den Effekt der Coriolis- und Zentrifugalkräfte zu simulieren. Nachdem die Materialeigenschaften, die numerischen Parameter und die Konvergenzkriterien definiert wurden, kann die Berechnung gestartet werden.

Konvergenz der CFD-Strömungsberechnung

Die Berechnung ist konvergiert, wenn Massen- und Energieerhaltung erreicht sind und wenn die Druck- und Geschwindigkeitswerte sich mit weiteren Iterationsschritten nur noch unwesentlich ändern. Oft ergeben sich dabei Schwierigkeiten; nur erfahrene CFD-Ingenieure wissen dann, welche Parameter verändert werden müssen. So können zum Beispiel vordefinierte numerische Parameter geändert werden; die Eingabe-Parameter niedriger Ordnung führen schneller zu einer Lösung, jedoch grundsätzlich auch zu einer unphysikalischen Verschmieren der Resultate.
Druckkonturen für einen Radiallüfter