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Computational fluid dynamics CFD
Scientific analysis of flows
Die numerische Simulation der Strömung (englisch: computational fluid dynamics, CFD) ermöglicht komplexe Informationen über die Strömung, den Ersatz einfacher aber langwieriger Experimente sowie konstruktive und / oder physikalische Parameterstudien. CFD-Verfahren bilden außerdem die Grundlage für die numerische Aeroakustik, die sich mit der Ausbreitung von Strömungsgeräuschen befasst.
Bei der Berechnung turbulenter Strömungen sind die Netzgenerierung sowie die sorgfältige Auswahl geeigneter Randbedingungen und die korrekte Modellierung der turbulenten Eigenschaften von grundlegender Bedeutung. CFD verfügt über ein breites Spektrum an Modellen, um turbulente Strömungsphänomene zu erfassen. RANS-Modelle (Reynolds-Averaged-Navier-Stokes) sind die am weitesten verbreiteten Ansätze der Turbulenzmodellierung. Praktikable Beispiele hierfür sind das k-Omega-Modell (speziell SST) und k-Epsilon-2-Gleichungsmodelle sowie das RSM (Reynolds-Stress-Model) für stark turbulente Strömungen. Als Ergänzung zu den RANS-Modellen bieten skalenauflösende Turbulenzmodelle die Möglichkeit, bestimmte turbulente Effekte tatsächlich räumlich und zeitlich aufzulösen (z.B. LES (Large-Eddy-Simulation)). Die Anforderungen an das Rechennetz und den Zeitschritt im Rahmen transienter Strömungssimulationen werden im Detail betrachtet und angewendet.
Parallel zu Messungen finden oftmals numerische Simulationen statt. Das Zusammen- / Wechselspiel von Messung und Numerik ist in zahlreichen Projekten essentiell und soll zum einen die Variantenvielfalt der möglichen Konfigurationen erhöhen und zum anderen durch die Validierung der CFD-Simulation durch Messergebnisse die Anzahl der Experimente mit vorausgegangenem Bau von Versuchsmustern deutlich reduzieren. Diese Herangehensweise findet für alle relevanten Untersuchungsbereiche - strömungsmechanisch, akustisch und energetisch - Anwendung.
Am Institut für Luft- und Kältetechnik wird die Strömungssimulation unter anderem zur Untersuchung von Phänomenen in der Raumluftströmung eingesetzt. Dabei werden Simulationswerkzeuge von ANSYS oder OpenFOAM genutzt.
Des Weiteren ist die institutseigene Entwicklung und der Einsatz hochspezialisierter, effizienter Strömungslöser [CARIBOU] für Echtzeit-CFD zu nennen. Diese Anwendungen ermöglichen u.a. den energieeffizienten und komfortablen Betrieb von HVAC-Systemen, die Vernetzung aller TGA-Komponenten wie Heizung, Kühlung, Lüftung, Sonnenschutz, etc. und bilden somit ein System (-baustein) zur intelligenten und selbstoptimierenden Raumluftsteuerung.
Strömungssimulation in Raumstrukturen und im Kontext der Gebäudetechnik
Für Gebäude mit Personenbelegung werden typischerweise die Temperatur- und Geschwindigkeitsbedingungen unter Vorgabe von Lasten und bauphysikalischen Gegebenheiten unter Anwendung der numerischen Strömungssimulation ermittelt. Aussagen zu anderen Raumluftparametern, wie z.B. zur Raumluftfeuchte und -qualität (CO2-Gehalt) sind weitere Elemente derartiger Untersuchungen.
Die Bewertung der thermischen Behaglichkeit im Aufenthaltsbereich der Personen ist sehr häufig Bestandteil der Ergebnisanalyse. Zudem besteht das Ziel der Simulationen darin, für die definierten Nutzungsfälle und den zugehörigen Bewertungskriterien die Funktionalität des Kühl-, Heiz- und Lüftungssystems unter Berücksichtigung von Umgebungseinflüssen (z.B. Sommer- und Winterfall) aufzuzeigen.
Mehrphasen-Simulation
In der Natur treten in der Regel Mehrphasenströmungen auf. Diese können vom Stofftransport über die explizite Auflösung von Phasengrenzen bis hin zur Berechnung einzelner Tropfen bei einer Simulation berücksichtigt werden.
Brand- und Rauchsimulation
Mit der Simulation von Brandszenarien kann ein Nachweis erbracht werden, ob die Schutzziele, welche aus dem „Leitfaden – Ingenieurmethoden des Brandschutzes“ folgen, erreicht werden. Die Schutzziele gelten jeweils 2.50 m über dem Fußboden und werden für Brandszenarien gleichermaßen betrachtet. Das Schutzziel Sichtbarkeit wird gesondert behandelt, da es nicht direkt als Rechenergebnis aus der Simulation hervoreht. Die Sichtbarkeit wird an die Ausbreitung des Kohlenmonoxids gebunden und aus dessen lokaler Konzentration berechnet.
In der verbalen Darstellung werden die Begriffe Plume und Ceiling Jet verwendet. Plume bezeichnet die direkt aus dem Brandherd aufsteigenden Temperatur- und Schadstofffahne. Innerhalb des Plume sind Temperatur und Schadstoffkonzentrationen extrem hoch. Es ist daher nahezu ausgeschlossen, dass innerhalb des Plumes und in dessen unmittelbarer Nähe die Schutzziele eingehalten werden.
Trifft der Plume auf eine Decke ohne Öffnungen, wird er sich entsprechend der Deckengeometrie verteilen. Die sich dabei an der Decke ausbildenden Wandstrahlen werden Ceiling Jet genannt. Mit den Ceiling Jets werden gegebenenfalls große Mengen von Schadstoffen in weit entfernte Gebäudeteile verfrachtet. Plume und Ceiling Jets sind zentrale Motoren, welche die Einhaltung der Schutzziele gefährden.
Die Bilder zeigen exemplarisch Simulationsergebnisse für die Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit und die CO-Konzentration in einem Gebäudekomplex. Aus den Erkenntnissen lassen sich praxisrelevante Optimierungshinweise ableiten.
Numerische Optimierung von Bauteilen | Produktentwicklung
Die Strömungssimulation von Baugruppen mit Hilfe der Numerik ermöglicht die Weiterentwicklung sowie die Verbesserung zum Beispiel von Wirkungsgraden ohne die zeitaufwendige Fertigung aller Optimierungsstufen.
Gegenläufiger Axialventilator
Die gegenläufigen Laufräder des Axialventilators (englisch: contra rotating fan, CRF) führen zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades durch Abbau des üblicherweise entstehenden Dralles am Laufradaustritt. Selbiger zeichnet sich gegenüber dem Stand der Technik durch den Einsatz von nur einem Motor und dem Verzichtet auf ein Getriebe oder anderen mechanischen Bauteilen für das Erreichen eines gegenläufigen Betriebes aus. Kennzeichnend für diesen Ventilator ist die kontaktlose Leistungsübertragung in das rotierende System, die für diesen Einsatz additiv entwickelt wurde.
Kondensator | Wärmeübertrager
Die CFD-Simulation eines Teilstückes eines Kondensators (Wärmeübertrager) hat die Zielstellung, das Strömungs- und Temperaturverhalten sowie die Kühl- und Kondensations (Entfeuchtungs-)-Effektivität numerisch zu ermitteln.
Transiente CFD eines Abkühlvorganges mit bewegten Netzen
Das Ziel der transienten CFD-Simulation mit bewegtem Netz (englisch: sliding mesh) besteht darin, einen Abkühlprozess sowohl thermofluiddynamisch als auch hinsichtlich des zeitlichen Ablaufes zu optimieren.
Eine strömungsmechanische Überarbeitung mit den Vorgaben der Minimierung des Energieaufwandes und der Prozessdauer für den Abkühlvorgang ist hierbei die grundlegende Aufgabe.
Strömungssimulation von Schienen- und Kraftfahrzeugen
Die Strömungssimulation von Schienen- und Kraftfahrzeugen ist eine Alternative zu kostenintensiven Untersuchungen zum Beispiel im Windkanal.
Sie ermöglicht die Optimierung von Außen- und Innenströmungen bereits in einer frühen Phase der Entwicklung oder bei der Verbesserung bestehender Fahrzeuge.
Echtzeitsimulation CFD | Solver-Entwicklung
Im Rahmen von Forschungsarbeiten wurde ein neuer, hocheffizienter Strömungslöser zur schnellen Simulation von Raumluftströmungen entwickelt, parallelisiert und umfassend getestet. Mit dem Strömungslöser können laminare und turbulente Strömungen mit und ohne Wärmeübergang und Auftriebseffekten signifikant schneller als mit general purpose Simulationsprogrammen berechnet werden. Die Effizienz und Genauigkeit wurde mit zahlreichen strömungsmechanischen Testfällen belegt. Im Gegensatz zu Simulationen mit RANS-Ansätzen können mit dem Verfahren auch Strömungen in komplexen Geometrien mit Hilfe von LES sehr genau berechnet werden.