Die numerische Simulation von Strömungsvorgängen setzt sich immer mehr im Produktdesign, in der Anlagenplanung und für die Optimierung bereits vorhandener Produkte durch. Für den Einsatz stehen eine Reihe von ausgereiften Programmen zur Verfügung, die sich bereits in vielen Bereichen, wie etwa der Kraftwerkstechnik, der chemischen Industrie und des Anlagenbaus bewährt haben.
Dr.-Ing. M. Braun
In der Verfahrenstechnik auftretende Strömungen sind in der Regel mehrdimensional und lassen sich nicht mehr mit einfachen Gleichungen beschreiben. Für Angaben des Druckverlustes oder des Wärmeüberganges müssen deshalb oft aufwendige Messungen am fertigen Produkt durchgeführt werden.
Mit der numerischen Strömungssimulation kann der Entwicklungsingenieur bereits vor der Herstellung des Produkts an beliebigen Orten des Strömungsgebietes einen tiefgehenden Einblick in die lokalen Vorgänge gewinnen und die Strömung ohne Eingriff analysieren. Dadurch rückt die Erprobung und Optimierung bereits ins Designstadium vor und die Entwicklungskosten werden durch Verkürzung der Entwicklungszeiten – bei gleichzeitig weiter gesteigerter Produktqualität – gesenkt.
Breites Anwendungsgebiet
Neben den klassischen Gebieten der Brennerentwicklung, Optimierung von chemischen Reaktoren und Wärmeaustauschern eröffnen sich dem Entwicklungsingenieur mit diesen Programmsystemen weitere Anwendungsbereiche.
Die Verwendung von unstrukturierten Gittern ermöglicht die Berechnung von Strömungen durch komplizierte Geometrien wie Ventile oder statische Mischer auf einfache Weise. Pumpen und andere Aggregate mit rotierenden Teilen wie Rührwerke lassen sich durch den Einsatz von rotierenden Bezugssystemen und aufeinander abgeleiteten Netzen, sogenannte Sliding Meshes, optimieren. Mehrphasen- und Partikelströmungen, wie sie in Zyklonen, pneumatischen Förderern oder bei Filtrationsprozessen auftreten, sind aufgrund der Vielzahl von physikalischen Modellen ebenfalls erfaßbar.
Weitere Anwendungsbereiche sind die Ausbreitung von Schadstoffen in der Atmosphäre und in geschlossenen Räumen, freie und gemischte Konvektion in Raumluftströmungen (Abb. 1) sowie die Entwicklung thermischer und chemischer Prozesse und Verfahren.
Anwendungen in der Wasserwirtschaft
Thames Water Utilities Ltd., ein privater Wasserversorger in England, nutzt die CFD-Software bereits seit 1992 zur Strömungssimulation. Die Anwendungen reichen von der Modellierung des Wasserbeckens und den Strömungen in Röhren und Kanälen bis hin zu Ozonisierung, Mischen, Ausflockung, Sedimentation, Kontaktdesinfektion und Flotation durch Eindüsung von Luft (Abb. 2).
Exemplarisch soll der Arbeitsablauf an letzterer Anwendung dargestellt werden. Die Lufteindüsung ist in der Wasserwirtschaft ein bewährtes Verfahren, um Partikel mit geringer Dichte, wie etwa Algen, an die Oberfläche zu bringen und dort abzuschöpfen.
Im ersten Teil der Simulation beschränkt man sich auf die hydrodynamischen Effekte des Wassers und vernachlässigt die Luftbläschen. Es wird angenommen, daß die Wasserströmung die Luftströmung dominiert, da die Luftbläschen klein sind (20 bis 100 mm) und der Luftvolumenanteil gering ist (10%). Die CFD-Simulation beinhaltet daher die Berechnung der Strömungsgeschwindigkeiten für den stationären Zustand und ermöglicht die Berechnung der Verweilzeiten-Verteilungskurve. Die Strömungsmuster werden dann benutzt, um Rückschlüsse auf die Leistung des Flotationstanks zu ziehen.
In der zweiten Phase rechnet die CFD-Software Mehrphasensimulationen durch. Die Bildung eines Luftblasenteppichs im Flotationstank wird über den Euler-Euler-Mehrphasenansatz modelliert. Die Blasen werden dann als disperse Phase dem Modell hinzugefügt. Für diese Berechnung wird der Luftvolumenanteil experimentell ermittelt (Abb. 3).
Programmübersicht
Die CFD-Produktfamilie bietet Lösungen für nahezu alle Klassen von Strömungsproblemen und Fluiden an. Für laminare und turbulente Strömungen im Unter- und im Überschallbereich, wie sie im gesamten Bereich der Verfahrenstechnik vorliegen, wurden bisher überwiegend die Finite-Volumen-Verfahren Fluent/Uns und Rampant eingesetzt. Als aktuellste Entwicklung integriert Fluent5 beide Löser in einer gemeinsamen Benutzeroberfläche. Das Programm erlaubt die gleichzeitige Berechnung von Wärmetransport und chemischer Reaktion. Auch Mehrphasenberechnungen sind möglich. Fidap hat seine besonderen Stärken im Bereich laminarer Strömungen, insbesondere bei Schmelzen und Nicht-Newtonschen Fluiden. MixSim ist ein leistungsfähiges Analyseinstrument für die komplette hydrodynamische Simulation speziell von Rührwerksbehältern. Für schleichende Strömungen, wie sie im Bereich der kunststoffverarbeitenden Industrie auftreten, kommt das Softwarepaket Polyflow zum Einsatz. Die Gittergenerierung erfolgt für alle Programme mit Gambit, das den Vorgänger GeoMesh ablöst.
Grundlage dieser Programme ist die numerische Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen mit modernsten Algorithmen. Besonderes Gewicht wurde hier auf die Robustheit der Algorithmen und die einfache Bedienung gelegt, um dem Entwicklungsingenieur den alltäglichen Umgang mit den Programmen zu vereinfachen.
Alle Programme haben eine einheitliche grafische, mausgesteuerte Benutzeroberfläche, die den Anwender durch die Modelldefinition, die Berechnung und die Visualisierung der Ergebnisse führt. Die Interaktivität der Benutzeroberfläche erlaubt es dabei, eine laufende Berechnung jederzeit zu unterbrechen, das Resultat durch grafische Visualisierung zu bewerten und Veränderungen an den Modellparametern durchzuführen. Der integrierte Postprozessor gestattet die einfache Darstellung von dreidimensionalen Feldgrößen bis hin zum Aufbau von Szenen und Animationen.
Preprocessing mit Gambit
Der Einsatz von unstrukturierten Gittern unter Verwendung von Tetraedern und Hexaedern hilft dabei, die Zeiten zur Gittererzeugung stark zu verringern und ermöglicht die lokale, automatische Adaption des Gitters aufgrund von Strömungsgrößen wie Druck-, Geschwindigkeits- oder Temperaturgradienten. Diese Technik hat Vorteile hinsichtlich der Genauigkeit von Strömungsberechnungen und des Bedarfs an Gitterzellen, da auf dieselbe Art und Weise das Gitter auch dort vergröbert werden kann, wo in der Strömung nur geringe Änderungen auftreten.
Die Erzeugung eines Berechnungsgitters nimmt bei der Berechnung von Strömungen in komplexen Geometrien die meiste Zeit in Anspruch. Zur Verringerung dieses Zeitaufwands wurde Gambit entwickelt. Dieser Preprozessor vereint Geometrieerzeugung und Vernetzung unter einer gemeinsamen grafischen Benutzeroberfläche. Fortschrittliche Protokollfunktionen und Parametrisierung gestatten dem Anwender, fertige Geometriemodelle, beispielsweise im Rahmen von Designvariationen, schnell zu modifizieren und aufzubauen. Gambit bietet dabei die volle Funktionalität eines 3D-CAD-Programms und zeichnet sich durch eine Reihe von Importmöglichkeiten bereits existierender Konstruktionsdaten aus.
Weitere Informationen cav-258
Der Anwender von CFD-Software wird durch eine Vielzahl von physikalischen Modellen unterstützt. Für die Berechnung von kompressiblen und inkompressiblen Strömungsvorgängen stehen unter anderem folgende Methoden zur Verfügung:
• stationäre und zeitliche abhängige Strömungen
• „State-of-the-Art“-Turbulenzmodelle
• gekoppelter Wärmeaustausch zwischen Strömungen und festen Körpern
• verschiedene Strahlungsmodelle
• homogene und heterogene chemische Reaktionen
• Simulation von Verbrennungsvorgängen
• Mehrphasenströmungen (Euler-Lagrange- oder Euler-Euler-Beschreibungsweise)
• Berechnung von freien Oberflächen
• Schmelz- und Mischvorgänge
• Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten
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