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Ich habe eine Frage zur Fluiddynamik, was kann ich tun?

Strömungen von Gasen oder Flüssigkeiten können auf drei verschiedene Arten untersucht werden: analytisch, experimentell oder numerisch. Ein analytischer Ansatz ist nur für die einfachsten Probleme möglich, z. B. eine laminare Strömung in einem geraden Rohr. Experimente sind oft zu teuer und zeitaufwändig. Folglich ist ein numerischer Ansatz eine beliebte Wahl. Mit moderner Software und fortschrittlichen Verarbeitungsgruppen kann nahezu jede Art von Fluss simuliert werden. Dieser Forschungsbereich wird als CFD (Computational Fluid Dynamics) bezeichnet.

Die Durchführung einer korrekten CFD-Analyse ist nicht einfach, und bevor eine gute Analyse durchgeführt werden kann, ist viel Fachwissen und Sachkenntnis erforderlich. Normalerweise teilen wir ein Problem in drei Komponenten:

  • Die Frage des Kunden
  • Die Geometrie
  • Die Randbedingungen

Die Frage des Kunden

Eine gut gestellte Frage ist von größter Bedeutung, wenn wir unseren Ansatz an das Problem anpassen

Daher ist es wichtig, dass der Kunde weiß, was er wissen möchte. Wird ein einzelner Wert für den Druckabfall benötigt? Oder sind erweiterte Kenntnisse über das Strömungsfeld notwendig? Ist eine „Größenordnung“ des Druckabfalls ausreichend oder sind mindestens 4 Nachkommastellen erforderlich?

Bei der Formulierung der Frage versuchen wir auch, den Fluss selbst zu verstehen. Spielt die Temperatur eine Rolle? Besteht die Strömung aus einer einzelnen Flüssigkeit oder einem Gemisch aus mehreren Phasen? Was ist mit dem Vorhandensein von Membranen, Filtern oder porösen Medien? Membranfilter werden häufig als poröse Medien mit einem Ersatzwiderstandskoeffizienten modelliert, der häufig experimentell bestimmt wird. Die (rechnerischen) Kosten steigen mit der Komplexität eines Ablaufs. Aus diesem Grund vereinfachen wir den Ablauf lieber, um das Problem zu lösen.

Eine klare Frage ermöglicht es uns, eine korrekte Analyse durchzuführen. Die Ergebnisse, die wir liefern, werden an die Anforderungen des Kunden angepasst.

Die Geometrie eines T-Stücks und das entsprechende Maschengitter. Deutlich zu erkennen ist eine lokale Gitterverfeinerung in Wand nähe, die zur Berechnung des Grenzschichtprofils erforderlich ist. Der Strömungsbereich (und damit auch das Maschengitter) ist immer das „negative“ der Geometrie.

Geometrie

Eine gute Vernetzungsqualität ist entscheidend für eine korrekte CFD-Analyse. In einem Maschengitter ist der Strömungsbereich in eine große Anzahl winziger Volumina unterteilt. Die Erhaltungssätze (Masse, Impuls, Energie) werden auf diese Kontrollvolumina angewendet. Auf diese Weise wird das Strömungsfeld berechnet.

In der Abbildung ist ein Rohrstück gezeigt. Die Strömung geht durch das Rohr, also bilden wir ein Maschengitter aus dem Strömungsbereich. Die Abbildung zeigt ein typisches Maschengitter, bei der wir die Vernetzung immer lokal in der Nähe der Wände verfeinern. Hier ist der Geschwindigkeitsgradient groß und für eine korrekte Simulation wird ein feines Maschengitter benötigt.

Um die Vernetzungsqualität zu erhöhen, vereinfachen wir häufig die Geometrie. Eine zu detaillierte Geometrie führt zu Verzahnungsproblemen, während viele Komponenten das Strömungsfeld kaum beeinflussen.

Typische Beispiele für „Unruhestifter“ sind:

  • Muttern, Schrauben, Gewinde usw.
  • Dünne Wände
  • Scharfe Kanten
  • Dünne Strömungskanäle

Wir bearbeiten die Geometrie immer in enger Absprache mit dem Kunden, damit ein gutes Maschengitter entsteht, ohne wichtige Geometrieeigenschaften zu verlieren.

Oft sucht ein Kunde ein ideales Design für sein Problem. In diesen Fällen ist die Geometrie nicht von vornherein bekannt, sondern Teil der Kundenfrage. Bei der Auslegung der optimalen Geometrie berücksichtigen wir selbstverständlich die Herstellbarkeit.

Randbedingungen

Nachdem ein Maschengitter erstellt wurde, wird die CFD-Simulation vorverarbeitet und die Randbedingungen festgelegt. Dies beginnt mit der Definition der globalen Eigenschaften unseres Strömungsbereichs. Die Flüssigkeit muss bekannt sein, wobei Dichte und Viskosität die wichtigsten Parameter sind. Für komplexere Strömungen wie Mehrphasenströmungen müssen diese Parameter für alle Strömungskomponenten bekannt sein. Ein Mehrphasenstrom ist ein Gemisch aus mehreren nicht mischbaren Bestandteilen, z. B. einem Flüssiggasgemisch, einem Fluid mit festen Partikeln oder nicht mischbaren Flüssigkeiten, z. B. einem Öl-Wasser-Gemisch. Bei Problemen mit der Wärmeübertragung müssen auch die thermischen Materialeigenschaften bekannt sein. Gleiches gilt für kompressible Flüssigkeiten wie Hochgeschwindigkeitsgase.

Im Folgenden legen wir die Randbedingungen des Strömungsbereichs fest.

  • Einlass
    • Es muss etwas über die Menge an Flüssigkeit bekannt sein, die in den Strömungsbereich gelangt. Dies kann ein Massenstrom sein, aber auch ein Druck oder eine Geschwindigkeit.
    • Gegebenenfalls muss eine Temperatur angegeben werden.
  • Auslauf
    • Genau wie beim Einlass muss etwas über die Strömung bekannt sein, die den Bereich verlässt. Oft ist dies der (Umgebungs-) Druck, allerdings ist auch ein Massenstrom möglich.
  • Wand
    • Die „rutschfeste Bedingung“ ist die Bedingung, dass die Flüssigkeit direkt an der Wand die gleiche Geschwindigkeit besitzt wie die Wand selbst. Normalerweise bewegen sich die Wände nicht, genauso wie die Flüssigkeit in Wand nähe. Wände mit einer Geschwindigkeit treten beispielsweise in Turbomaschinen auf. Manchmal spielt die Wandrauheit eine Rolle, die das Strömungsfeld und die Reibung beeinflusst.
    • Wenn die Wärmeübertragung eine Rolle spielt, muss klar sein, ob die Wände eine gewisse Temperatur haben oder ob die Wände adiabatisch sind (keine Wärmeübertragung).

Die Frage des Kunden

Wir kehren nun zur ursprünglichen Frage des Kunden zurück. Mit einer gut gestellten Frage, einer klaren Geometrie und offensichtlichen Randbedingungen ist es möglich, eine präzise CFD-Analyse durchzuführen. Bei einer gut gestellten Frage ist es auch möglich, eine klare Antwort zu geben. CFD-Spezialisten helfen Ihnen immer bei der Problemdefinition. Wir hoffen durch diesen Artikel, Ihnen bei der Definition Ihres Flüssigkeitsproblems behilflich sein zu können.

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