Turbulenzmodelle
Die direkte numerische Lösung der Strömungsgleichungen turbulenter Strömungen bleibt auch mit den heutigen Hochleistungsrechnern für viele Praxisanwendungen unerschwinglich. Daher kommen in der numerischen Strömungssimulation (CFD) verschiedene physikalische Turbulenzmodelle zum Einsatz, die eine Mittelung der instationären turbulenten Schwankungen ermöglichen und so den Rechenaufwand erheblich reduzieren. CFD-Programme unterscheiden sich insbesondere durch unterschiedliche Modelle für die Turbulenz und für das Geschwindigkeitsprofil in Wandnähe.
Large Eddy Simulation
Die Large Eddy Simulation (LES) stellt eine vollständige numerische Lösung der instationären Navier-Stokes-Gleichungen dar. Aufgrund des enormen Rechenaufwands, der für eine ausreichende räumliche und zeitliche Auflösung erforderlich ist, wird LES hauptsächlich in Bereichen eingesetzt, in denen höchste Genauigkeit gefragt ist, wie beispielsweise in der Aerodynamik von Flugzeugen und Automobilen.
k-ε Turbulenzmodell
Das k-ε-Modell in Kombination mit dem logarithmischen Wandgesetz gilt als Standardansatz in der technischen Strömungssimulation.
Es ermöglicht den Einsatz relativ grober Rechengitter, wodurch der Rechenaufwand gering gehalten werden kann. Allerdings führt dieser Ansatz dazu, dass die Wärmeübertragung von älteren Programmen systematisch unterschätzt wird.
SST k-ω, Niedrig-Reynolds Turbulenzmodell
Das SST k-ω-Modell bietet im Vergleich zu Standardmodellen eine höhere Genauigkeit, insbesondere hinsichtlich der Vorhersage von Strömungsprofilen, Wärmeübertragung und Rückströmungen.
Für eine präzise Simulation ist jedoch ein sehr feines, hochwertiges Hexaedergitter in Wandnähe erforderlich. Dies macht die Gittergenerierung bei komplexen Geometrien aufwendig und verlängert die Rechenzeiten erheblich.
Simcenter FloEFD, eine CFD Software für kartesisches Gitter
FloEFD ist entwickelt von Mentor Graphics (Siemens PLM). Es integriert CAD-Tool, Präprozessor, Gittergenerator, Löser und Postprozessor in einer einzigen Softwarelösung. Die enge Verzahnung mit gängigen CAD-Systemen sowie die automatische Gittergenerierung ermöglichen Konstrukteuren und Ingenieuren einen schnellen Einstieg in die CFD-Simulation. Selbst CAD-Modelle mit mangelhafter Qualität, etwa mit überlappenden Bauteilen, lassen sich problemlos verarbeiten. Das Gitter wird durch automatisch erzeugte geschnittene Zellen an die Geometrie angepasst. Ungenauigkeiten durch diese Interpolation nehmen mit steigender Zellanzahl ab.
FloEFD verwendet das k-ε-Turbulenzmodell mit Wandfunktionen, die auf dem Van-Driest-Geschwindigkeitsprofil basieren. Dabei werden in der sogenannten Grenzschicht zwei unterschiedliche Annäherungen für dünne und dicke Schichten gewählt. Das Van-Driest-Profil zählt zu den etablierten Grenzschichtansätzen und ermöglicht es, verschiedenste Anforderungen an Simulationsprozesse für Belüftung und Kühlung zu erfüllen.
FloEFD für Siemens NX, Solid Edge Flow Simulation
FloEFD ist nahtlos in Solid Edge integriert und darüber hinaus mit weiteren CAD-Systemen wie CATIA V5, Siemens NX, SolidWorks, Autodesk Inventor sowie Pro/ENGINEER Wildfire bzw. Creo kombinierbar. Die Philosophie dahinter ist, dass Anwender im vertrauten CAD-System ihres Betriebs arbeiten können. Zwar ist eine Einarbeitung des Strömungsingenieurs ins jeweilige CAD-Tool erforderlich, doch gilt die Beherrschung eines modernen CAD-Systems heute als grundlegende Qualifikation für Maschinenbauingenieure. Im Gegensatz dazu bringen spezielle Tools zur Geometrievorbereitung wie Salome, Ansa, Ansys Design Modeler oder SpaceClaim weniger Vorteile, da sie meist nur im Kontext bestimmter Simulationssoftware verwendet werden. Der Wechsel zwischen verschiedenen CAD-Systemen gestaltet sich deutlich einfacher als der Übergang von einem Geometrievorbereitungstool zu einem CAD-Programm, da CAD-Tools mit 3D-Bauteilen und Baugruppen arbeiten, während Geometrievorbereitungstools vorwiegend mit Oberflächen umgehen.
Automatische Gittergenerierung in FloEFD für Siemens NX
CFD-Programme mit Geometrie-angepasstem Gitter
Bekannte Programme wie CFX, Fluent und STAR-CCM sind äußerst leistungsfähig, decken eine breite Palette von Anwendungsfällen ab und bieten zahlreiche Turbulenzmodelle.
Ihre Stärke liegt in der Flexibilität und Genauigkeit, allerdings erfordert die aufwändige Gittergenerierung für komplexe Geometrien einen erheblichen Zeitaufwand.
