3D-CFD Berechnungsmodell

Der Berechnungsingenieur steht vor der Aufgabe, sinnvolle Vereinfachungen vorzunehmen, um den zeitlichen und finanziellen Vorgaben eines Projekts gerecht zu werden. Zu Beginn empfiehlt es sich, die CFD-Simulation stark zu vereinfachen, um zügig erste Ergebnisse zu erhalten. Anschließend erfolgt sukzessive die Ausarbeitung einer präziseren und endgültigen Grundberechnung. Nur die abschließenden Simulationen sollten mit erhöhter Zellzahl und detaillierter Dokumentation durchgeführt werden.

STEP und Parasolid CAD-Format

Jedes CAD-Programm – wie Solid Edge, Siemens NX, CATIA, Solidworks oder Autodesk Inventor – verwendet ein eigenes Dateiformat. Dennoch können alle Programme die Geometrien ins universell lesbare STEP-Format exportieren. Bei der Umwandlung von 3D-Bauteilen in das STEP-Format treten häufig Fehler auf, da Befehle verloren gehen und somit nicht mehr bearbeitet oder ausgeblendet werden können. Parasolid ist ein von Siemens PLM Software entwickelter Modellierkern, auf dem zahlreiche Programme wie Solid Edge, Solidworks und NX Siemens basieren. Für den Export von CAD-Geometrien zur CFD-Simulation empfiehlt sich besonders das Parasolid „x-t“-Format.

Import, Korrektur und Vereinfachung der CAD-Geometrie

Zunächst wird die 3D-Geometrie digital benötigt. Es ist ratsam, die Geometrie mit einem professionellen CAD-Programm zu erstellen. Liegt sie bereits vor, muss sie häufig korrigiert und vereinfacht werden. Überflüssige Details wie Schrauben, kleine Bohrungen und Verrundungen sollten entfernt werden, um Modellierungsfehler zu vermeiden und die Rechenzeiten zu reduzieren. Moderne CAD-Modelle werden als Volumenkörper erzeugt, wobei einige CFD-Tools wie CFX oder OpenFoam weiterhin Oberflächengeometrien als Eingabe benötigen. Die Umwandlung erfolgt mithilfe spezieller Software wie Ansys Design Modeler, Spaceclaim, Salome oder Ansa.
Manche CFD-Programme sind direkt in CAD-Anwendungen integriert, wodurch der Import und Export von CAD-Daten für den Nutzer vereinfacht wird. Solidworks Flow Simulation und Flotherm XT sind vollständig in Solidworks eingebettet, jedoch nicht nativ in andere CAD-Systeme integrierbar. FloEFD ist eine empfehlenswerte Alternative für Anwender anderer CAD-Systeme, da es sich nahtlos mit PTC Creo, CATIA v5, Solid Edge, Pro/ENGINEER Wildfire, Autodesk Inventor und Siemens NX verbinden lässt.

Randbedingungen und Parameter

Nach der Erstellung des Berechnungsgitters werden im Simulationsprogramm die Randbedingungen festgelegt. Die Einlassbedingungen werden meist als Massenstrom oder Druck definiert; FloEFD ermöglicht zusätzlich die Eingabe von Lüftereigenschaften. Soll die Wärmeübertragung berücksichtigt werden, müssen die Wärmequellen spezifiziert werden.
Für die Simulation rotierender Bereiche reicht die Festlegung eines zylindrischen Koordinatensystems und einer Drehzahl. Die Software ergänzt die Strömungsgleichungen um Quellterme, die die Wirkung von Coriolis- und Zentrifugalkräften berücksichtigen. Nachdem Materialeigenschaften, numerische Parameter und Konvergenzkriterien festgelegt sind, kann die Simulation gestartet werden.

Konvergenz der CFD-Strömungsberechnung

Eine Simulation gilt als konvergiert, wenn sowohl Massen- als auch Energieerhaltung erreicht sind und sich die Werte für Druck und Geschwindigkeit bei weiteren Iterationen kaum noch verändern. In der Praxis treten hierbei häufig Schwierigkeiten auf; erfahrene CFD-Ingenieure wissen, welche Parameter angepasst werden müssen, um die Konvergenz zu verbessern. Beispielsweise können vordefinierte numerische Parameter modifiziert werden; Parameter niedriger Ordnung führen zwar schneller zu einer Lösung, verursachen aber meist eine stärkere numerische Glättung der Ergebnisse.
Druckkonturen für einen Radiallüfter