CFD auf dem Vormarsch

Der Neid anderer Branchen ist den Herstellern computergestützter Strömungsmechaniksoftware gewiss. Denn sie verzeichnen wie der gesamte CAE-Markt ein jährliches Wachstum von mehr als 16%. Der Marktführer Fluent hat diese Zahlen in den letzten Jahren sogar noch übertroffen. Auf der Achema 2006 präsentiert Fluent jeden Tag einen anderen Themenkomplex rund um die numerische Strömungssimulation, der die zahlreichen, firmeneigenen Vorträge auf den Foren der Achema erneut aufgreift. Zu den Schwerpunktthemen zählen dieses Jahr Bioreaktoren, Mischen und Rühren, Schüttguthandling, Mikrofluidik und die Aspen-/CAE-Integration. Das Gesamtkonzept wird sich auch in den Exponaten und den Live Demos widerspiegeln.

„Für den Verfahrenstechniker haben zwei Punkte oberste Priorität. Das neue Werkzeug muss erstens eine bekannte Applikation technisch darstellen können und zweitens den Prozess verbessern. Dabei interessieren keine einzelnen Features, sondern nur die Lösung an sich.“, sagt Dr. Albrecht Gill, Marketing- und Vertriebsleiter bei Fluent Deutschland. Und Dr. Stefan Martens, Business Development Manager, ergänzt: „Wir wollen auf einem allgemein verständlichen Level einsteigen und sehr praxisorientiert vorgehen“.

Zu typischen Strömungsphänomenen, die sich mit Computational Fluid Dynamics (CFD) grundsätzlich sehr gut darstellen lassen und optimiert werden können, zählen zum Beispiel Plattenwärmetauscher. Um eine möglichst hohe Effizienz zu erzielen, kommt es vor allem darauf an, die eintretende Flüssigkeit möglichst gleichmäßig über die gesamte Plattenbreite hinabströmen zu lassen. Doch noch vor ein paar Jahren war es undenkbar, ganze Platten von Plattenwärmetauschern zu simulieren. Ermöglicht wird dies einerseits durch realistischere Computermodelle der Physik und andererseits durch ständig steigende Rechnerleistungen. Die sinkenden Preise für die Hardware machen die CFD-Methode zusätzlich immer attraktiver.

„Der Effekt von einer Platte zur nächsten ist immer der gleiche. Deswegen genügt es, eine zu simulieren. Das ist anspruchsvoll genug, weil die Maße der Platten gut und gerne 1,5 x 4 m betragen können“, erläutert Martens. „Bei 10 x 20 cm großen Varianten mag der traditionelle Weg vielleicht relativ schnell sein. Aber bei großen Platten ist ein Schuss ins Blaue einfach zu kostenintensiv.“ Die Platte muss konstruiert, ein Werkzeug für ihre Produktion gebaut, ein Prototyp hergestellt und dessen Effizienz gemessen werden. Nicht ohne Grund unterscheiden sich CFD und herkömmliche Entwicklung um einen erheblichen Kostenfaktor. „Selbst nach dem Prüfstand weiß der Konstrukteur im Zweifelsfall nur, dass die Effizienz zu niedrig liegt. Bei der Strömungssimulation kann ich zeigen, warum etwas nicht passt und an welcher Stelle etwas geändert werden muss“, unterstreicht Martens. Ein hoher Erkenntnisgewinn, der sich vor allem bei teuren Spezialwärmetauschern lohnt. So können sich Anwender mithilfe der Programme Wärmetauscher schnell und kostenoptimiert für ihre individuellen Bedürfnisse maßschneidern.

Beide Experten sind sich bewusst, dass ein Ingenieur, der seit 30 Jahren im Geschäft ist, aufgrund seiner Erfahrung oftmals ohne solche modernen Hilfsmittel auskommt. Kenntnisse über das Strömungsverhalten in ihren Rührkesseln, die sich die Vorgänger noch mühsam nach dem Trial-and-Error-Prinzip aneignen mussten, bekommt die nächste Generation praktisch auf dem Silbertablett serviert. Denn spezielle CFD-Programme wie MixSim ermöglichen es, direkt in den Rührkessel „hineinzuschauen“. Heute kann der Anwender den Rührer virtuell einbauen, die Kräfte auf die Rührerblätter berechnen und frühzeitig feststellen, welche Variante funktionieren wird und welche nicht – eine enorme Zeit- und Kostenersparnis.

Dieser äußerst aufschlussreiche Blick ins Herz der Anlagen blieb anderen bisher verwehrt. Betroffen davon war auch das Schüttguthandling, weil Strömungen in Silos bis dato überhaupt nicht simuliert werden konnten. Fluent bietet nun eine Lösung an, mit der sich der benötigte Trichterwinkel und die Größe des Auslaufstutzens für eine zuverlässige Entleerung des Silos im Vorfeld zuverlässig simulieren lassen. „Dazu haben wir in Fluent eine sehr spezielle Physik implementiert, die bisher weltweit einmalig ist. Momentan führen wir Validierungsberechnungen durch, die der Realität sehr nahe kommen“, erläutert Martens.

Neuland – zumindest im europäischen Markt – betritt das Unternehmen auch in der Bioprozesstechnik. Hierzulande freunden sich die Anwender nämlich gerade erst langsam mit den Vorzügen der Technik an, wogegen viele amerikanische Firmen CFD bei Fermentationen schon sehr intensiv nutzen. So wurden bereits viele sehr große, sehr kostenintensive und hochgradig sensible Reaktoren erfolgreich dargestellt. Das Programm ist sogar in der Lage, sauerstoffbegaste Rührkessel zu simulieren. Ergebnisse, die zum Beispiel entscheidend dazu beitragen, die Lebensbedingungen der Organismen zu bestimmen.

Neben den neuen Anwendungsbeispielen wird Fluent sich auf der Messe auch mit der Kopplung von numerischer Strömungssimulation mit Tools wie Aspen oder mit der DEM-Methode (Discrete Element Modeling) beschäftigen und zeigen, wie durch die Verquickung verschiedener Werkzeuge Prozesse noch umfassender berechnet werden können.

Eine Entwicklung, die weniger mit der Software als mit einem allgemeinen Trend zu tun hat, beobachtet Martens schon lange: „Die Anbieter lösen sich immer mehr vom reinen Softwareverkauf, steigen tiefer in den Workflow des Kunden ein und versuchen ihn durch Anpassung der Standard-CFD-Software zu beschleunigen.“ Auf die veränderte Nachfrage des Marktes hat Fluent Deutschland reagiert und sich komplett umstrukturiert.

Neben der reinen Software liefert das Unternehmen nun im Sinne von Total Solutions ein breites Service-Portfolio. „Früher gaben wir den Kunden eine Telefonnummer, die sie im Notfall anrufen konnten, wenn es Probleme gab. Heute begleiten wir den Kunden über den gesamten Prozess und verfügen über umfangreiches Engineering Know-how. Wir haben sogar die Entwicklung des Quellcodes hier in Deutschland“, betont Gill. Durch die verteilte Entwicklung kann die Tochtergesellschaft sogar kundenspezifische Lösungen anbieten, die grundlegende Software-Algorithmen betreffen.

Im Servicepool in Darmstadt verfügt die Softwareschmiede über die größte CFD-Mannschaft ganz Deutschlands. „Durch die starke Service-Orientierung haben wir strukturell und personell sehr gute Voraussetzungen, kompetenten Service auf hohem Niveau anbieten zu können. Dazu gehört für Fluent auch, dass der zuständige Ingenieur die Sprache der Branche und des Anwenders spricht. Deshalb hat das Unternehmen den Servicebereich frühzeitig auf verschiedene Anwendungsschwerpunkte fokusiert. Jeder Kunde hat einen dedizierten technischen Ansprechpartner, der dafür sorgt, dass die Software beim Kunden effektiv und sicher läuft. Zudem muss er den Workflow des Kunden verstehen, um die Software noch effizienter einzusetzen. Ein weiterer wesentlicher Baustein des Rundum-sorglos-Servicepaketes, von der einfachen Vertriebsanfrage bis zu komplexen Programmentwicklungen, ist für Gill die Präsenz vor Ort: „Man muss weder Zeitverschiebungen, noch Sprachbarrieren beachten. Das darf man nicht unterschätzen. Letztlich ist ein Programm nur so gut wie die Leute und die Organisation, die dahinter stehen.“

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Fluent-CFD-Dienstleistungen

CFD-Schulungsprogramm

Fluent auf der Achema 2006: Halle 9.2, Stand J40

Fluent 6.2 bietet gegenüber der Vorgängerversion mehr als 300 Erweiterungen, die neue Anwendungsmöglichkeiten in allen Industriebereichen eröffnen. Entscheidende Verbesserungen des Strömungslösers führen zu deutlichen Geschwindigkeitssteigerungen und größerer Genauigkeit. So können die Anwender die Strömungssimulation nun bei allen Mehrphasenmodellen in Verbindung mit Stofftransport und chemischen Reaktionen einsetzen. Freie Oberflächen und DPM-Modellierung sind deutlich effizienter und ein Solar-Strahlungs-modell erschließt neue Anwendungsbereiche. Fluent’s Funktionalität der dynamischen Netze für die Simulation von Strömungen um bewegte Teile beinhaltet jetzt einen Löser, der bis zu sechs Freiheitsgrade beherrscht. Fluent 6.2 bietet von allen kommerziellen CFD-Programmen die umfassendste Auswahl an Turbulenz- und Akustikmodellen. Die bereits beeindruckende Funktionalität in Bezug auf chemisch reagierende Strömungen wurde um einen effizienten Löser für laminare steife Chemie, spezielle Zündmodelle für innermotorische Verbrennung und eine anwenderfreundliche, frei konfigurierbare und wiederverwendbare Stoffdatenbank erweitert.

Weitere Meilensteine werden in der nächsten Version Fluent 6.3 gesetzt. Durch eine flexible Polyedertechnik lässt sich die numerische Effizienz um einige Faktoren steigern. Ein Durchbruch wird in der automatischen Geometriebereinigung und Vernetzung von CAD-Geometrien erwartet.