Numerische Strömungssimulation in der praktischen Anwendung

Die numerische Strömungssimulation (CFD) hat in den letzten Jahrzehnten immer mehr Einzug in Industrie und Forschung gehalten. Wurden früher numerische Lösungsmethoden nur auf Großrechnern angewandt, ist es heutzutage bei der rapide gestiegenen Rechnerleistung und gleichzeitigem Sinken der Hardwarepreise auch auf PCs möglich, z.B. dreidimensionale Strömungen zu berechnen.

Die Vorteile der numerischen Strömungssimulation liegen auf der Hand:

  • Zunehmend aufwändigere Experimente können durch die Simulationstechnik immer häufiger ersetzt werden, was Zeit und Forschungsgelder spart
  • In der Produktentwicklung wird eine Voroptimierung durch die Simulation erreicht, was teueren Prototypenbau reduziert und das Produkt schneller auf den Markt bringt
  • Durch das „Sichtbarmachen“ der Strömung in der Simulation kann die Produktqualität gegenüber herkömmlicher Entwicklung ohne CFD-Einsatz deutlich gesteigert werden

Durch stetige Weiterentwicklung der Software ist die numerische Strömungssimulation erheblich anwenderfreundlich geworden, was sie einem sehr viel größeren Nutzerkreis zugänglich macht.

Anwendung findet die numerische Strömungssimulation in Forschung, Entwicklung und Optimierung u.a. im Turbomaschinenbau, in Fahrzeug- und Flugzeugtechnik, im Anlagenbau sowie in der Medizin.

Der Einsatz von CFD ist sehr vielfältig und wird ständig weiter ausgebaut. Im Labor für Strömungsmaschinen und Fluiddynamik der Hochschule Ostwestfalen-Lippe wird seit 2003 mit der numerischen Strömungssimulation gearbeitet.

 

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Umströmung eines Tragflügels

 

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Stromlinienverlauf in einem Radialventilator

Mit der CFD-Applikation ANSYS CFX werden u.a. laminare, turbulente, sowie auch Mehrphasen-Strömungen mit Particle Tracking berechnet.

Ihren Einsatz findet die numerische Strömungssimulation in industriellen Anwendungen, wo bereits verschiedene Abwasserpumpen für ein Unternehmen optimiert wurden. Ein weiterer Bereich ist die Simulation von Verbrennungsvorgängen, hier sind in einer Auftragsarbeit die Strömungsverhältnisse in der Brennkammer eines Ringschachtofens zum Kalkbrennen berechnet und optimiert worden.

 

Die Animation stellt den Stromlinienverlauf in einem Radialventilator dar. Das Laufrad rotiert mit einer Drehzahl von 1960[1/min] und fördert einen Luftmassenstrom von 1[kg/s].

Die Animation wurde mit Hilfe des Strömungssimulationsprogramms ANSYS CFX als studentische Arbeit von Dimitri Wolf erstellt.