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Experimente und Simulationen zur Strömungsmechanik: komplementär?

Strömungen analysieren

Die Fluiddynamik wird auf drei verschiedene Arten untersucht: analytisch, numerisch und experimentell. Analytische Berechnungen sind nützlich für Größenordnungsschätzungen. Dadurch gewinnen wir Einblick in die relevanten Systemparameter, können den ungefähren Druckabfall berechnen oder bestimmen, ob eine Strömung laminar oder turbulent ist. Darüber hinaus ist ein solides Verständnis der mathematischen Beschreibung einer Strömung von entscheidender Bedeutung, um Experimente oder Simulationen richtig interpretieren zu können. Ein Strömungsprofil von Hand zu berechnen, ist jedoch nur für die einfachste Klasse von Problemen möglich, beispielsweise für eine stetig laminare Rohrströmung. Transiente Strömungen, turbulente Strömungen oder Strömungen mit komplexeren Geometrien können mit analytischen Mitteln nicht auf ähnliche Weise berechnet werden.

Experimentelle Forschung

Wenn analytische Berechnungen nicht ausreichten, stützten wir uns traditionell auf experimentelle Untersuchungen. Experimente liefern ein enormes Verständnis für die Dynamik einer Strömung. Wir können einen Fluss visualisieren, indem wir Farbstoff hinzufügen. Und wir können einen Durchfluss mit Geschwindigkeits-, Temperatur- und Druckmessungen quantifizieren. Früher waren die meisten dieser Messungen „aufdringlich“ – eine Sonde wurde direkt in einen Fluss gebracht. In den letzten zwei Jahrzehnten haben wir auf optische Methoden wie die Particle-Image-Velocimetry (PIV), die Particle-Tracking-Velocimetry (PTV) und die Laser-Doppler-Anemometry (LDA) umgestellt. Hier wird die Strömung mit einem Laser beleuchtet, dessen Licht von zugesetzten Leuchtspurpartikeln reflektiert wird. Die Geschwindigkeit wird durch die Rotverschiebung (LDA) oder durch zwei korrelierte Fotos (PIV, PTV) gemessen.

Experimente haben jedoch ihre Grenzen. Experimente sind relativ kostspielig, sowohl in der Ausrüstung als auch in der Arbeitskraft. Gute experimentelle Einstellungen vorzunehmen und mehrere Iterationen durchzuführen, ist sehr zeitaufwändig.

Computersimulationen

Computersimulationen wurden erst vor relativ kurzer Zeit für industrielle Anwendungen populär. Zuvor wurden numerische Simulationen nur von Universitäten und spezialisierten Unternehmen wie Boeing und der NASA durchgeführt. In den neunziger Jahren wurden benutzerfreundliche Handelscodes eingeführt, die die Verwendung numerischer Simulationen für eine größere Gruppe von Unternehmen ermöglichten.

In numerischen Simulationen werden die grundlegenden mathematischen Flussgleichungen (Navier-Stokes-Gleichungen) numerisch berechnet und an diskreten Punkten gelöst. Diese Technik wird allgemein als Computational Fluid Dynamics (CFD) bezeichnet. Die Navier-Stokes-Gleichungen werden häufig zu den Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen vereinfacht. Auf diese Weise werden die Turbulenzeigenschaften zeitlich gemittelt. Wie in der Abbildung gezeigt, ist eine Geometrie in winzige Volumina aufgeteilt. Die Erhaltungssätze von Masse, Impuls und Energie werden auf diese Volumina angewendet. Als Ergebnis wird das gesamte Maschengitter analysiert und wir erhalten die numerische Lösung.

Anwendung eines adaptiven Gitters um ein Flugzeugflügel.

Bei der Umrechnung einer realen Strömung in eine numerische Lösung müssen wir die Strömung vereinfachen. Normalerweise vereinfachen wir die Geometrie, um das Maschengitter und die Turbulenzeigenschaften vereinfacht zu modellieren. Folglich stehen manche den Vorteilen numerischer Simulationen skeptisch gegenüber.

Simulationen haben jedoch eine Reihe von signifikanten Vorteilen gegenüber Experimenten.
Erstens: Numerische Simulationen sind schneller und billiger als Experimente.
Zweitens: Iterieren ist einfacher. Eine andere Geometrie, eine andere Flüssigkeit, eine größere Volumenstromgeschwindigkeit, alles Parameter die variiert werden können. Auf diese Weise wird ein Entwurfsprozess vereinfacht und beschleunigt.
Drittens: In Experimenten messen wir meist einen einzelnen wichtigen Parameter, beispielsweise den Druckabfall. In Simulationen stehen alle Strömungsdaten zur Verfügung. Wir können die Strömung mit Geschwindigkeitsvektoren, Filmen, Konturdiagrammen und Stromlinien visualisieren. Dadurch erhalten wir mehr Einblick in die Strömung und können die Problembereiche besser verstehen.

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Windkanal Stromlinien im Vergleich mit CFD.

Ergänzend

Werden Simulationen, Experimente vollständig ersetzen? Nein wahrscheinlich nicht. Experimente liefern immer wertvolle Erkenntnisse ohne Vereinfachungen. In genaueren Forschungsbereichen sind aufgrund der Komplexität der Strömung häufig experimentelle Validierungen für die numerischen Simulationen erforderlich. Auf diese Weise bilden Experimente, numerische Simulationen und analytische Methoden verschiedene Möglichkeiten um eine Strömung zu verstehen. In diesem Sinne ergänzen sie sich vollständig und haben bis auf weiteres alle ihre Berechtigung.

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