Hohe Genau­ig­keit

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.

Auf 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.