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Hohe Genauigkeit

Über Simulations-werkzeuge für Ströumngstechnik


Simulationswerkzeuge für Strömungstechnik

Wir werden oft gefragt, ob denn heute angesichts der hochwertigen Simulationswerkzeuge noch strömungstechnische Messungen erforderlich sind. Und in der Tat, in den vergangenen 30 Jahren hat sich ein rasanter Fortschritt bei der Fähigkeit zur Vorhersage von Strömungsphänomenen vollzogen.

Während es vor nicht allzu langer Zeit noch Tage und Wochen gedauert hat, auf extrem teuren Supercomputern relativ einfache, oft mehr akademische Fälle zu berechnen, hat sich wegen enormer Verbesserung bei der Rechenleistung von Computern, wegen gewaltiger Fortschritte bei der Entwicklung von Rechenalgorithmen und wegen der kontinuierlichen Sammlung von Erfahrung beim Umgang mit den neuen Werkzeugen eine völlig neue Situation ergeben. So reichen heute auf der Hardwareseite bereits Prozessoren aus, die in jedem PC ihren Dienst tun. Diese werden zu sogenannten Clustern (das sind mehrere zu Gruppen zusammengefasste Prozessoren) angeordnet. Damit ergeben sich sehr leistungsfähige Rechner, die im Vergleich zur früheren Ära der Supercomputer kostengünstig und einfach zu betreiben sind und deren Betrieb auch für mittelständische Unternehmen keine große Hürde darstellen.

simulation2Auf der Seite der Rechenverfahren gab es ebenfalls große Fortschritte, die zu einer enormen Verbesserung der Genauigkeit der Rechenergebnisse auch bei komplexen Geometrien und Betriebsbedingungen führten. Inzwischen gibt es verschiedene Anwendungsbereiche weit entwickelte kommerzielle Rechenprogramme.

Während am Anfang strömungstechnische Simulationen hauptsächlich für luftfahrttechnische Anwendungen durchgeführt wurden, gibt es heute kaum einen Bereich der Strömungstechnik, in dem nicht verschiedenste Fragestellungen mithilfe von Simulationsverfahren untersucht werden. In unserem Bereich der Umströmung der Ventilatoren sind vor allem Luftleistung und Wirkungsgrad von Interesse, wobei lokale Strömungsphänomene wie etwa Ablösung, Wirbelbildung oder ungleichförmige Durchströmung diese Größen reduzieren und somit vermieden werden sollen. Der Vorteil der Simulation gegenüber der Messung liegt in erster Linie darin, dass das Strömungsfeld um die Schaufeln die Probleme sichtbar macht, damit sie gezielt beseitigt werden können. In Bild A löst die Strömung an der Deckscheibe und am Motor ab, weshalb dieses Rad einen eher niedrigen Wirkungsgrad besitzt. Durch eine günstigere Gestaltung des Strömungskanals wird die Ablösung verhindert (Bild B), Luftleistung und Wirkungsgrad werden somit deutlich gesteigert.

Dieses Beispiel zeigt, dass Fragestellungen, die in der Zeit ohne Simulationswerkzeuge nur mithilfe von aufwendigen und zahlreichen Messungen nach dem „Trial and Error“-Prinzip zu bearbeiten waren, sich heute mit hoher Genauigkeit durch eine Simulation beantworten lassen. Da für die Berechnung jedoch teilweise deutliche Vereinfachungen nötig sind (vor allem bei der Berechnung von Turbulenz), kann es auch Fälle geben, in denen die Simulation keine zufriedenstellende Genauigkeit liefert oder für die eine Berechnung aufgrund des zu hohen Rechenaufwandes nicht sinnvoll ist.

Und so lautet die Antwort auf die eingangs gestellte Frage, dass heute und auch in Zukunft strömungstechnische Messungen unabdingbar sind und sein werden. Es wird eine deutliche Verschiebung zu solchen Messungen geben, die zur Überprüfung von Simulationsergebnissen dienen, die zur Abnahme der endgültigen Daten erforderlich sind und mit denen physikalische Größen ermittelt werden, die (noch) nicht einer Simulation zugänglich sind, wie zum Beispiel das durch strömungstechnische Vorgänge erzeugte Geräusch.

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