Liste Anbieter Strömungssimulation
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Sachsen-Anhalt
Mehr über Strömungssimulation
Computational Fluid Dynamics (CFD) bildet die rechnerische Grundlage der Strömungssimulation, um Bewegungen von Gasen und Flüssigkeiten in realen und virtuellen Umgebungen zu berechnen. Ausgangspunkt sind Erhaltung von Masse, Impuls und Energie, wodurch sich Felder für Geschwindigkeit, Druck und Temperatur ergeben. Ziel ist eine belastbare Strömungsanalyse für Entwurf, Betrieb und Bewertung technischer Systeme.
Grundlagen und numerische Formulierung
Die Navier-Stokes-, Energie- und Kontinuitätsgleichungen werden in das diskrete Problem überführt, indem das betrachtete Raumvolumen in viele Volumenelemente zerlegt wird. Die entstehende Gitterstruktur umfasst Zellen bis zur Raumzelle in komplexer Geometrie. Diskretisierungsmethoden wie Finite Volumen koppeln die Felder über Flüsse. Adaptive Verfeinerung reduziert den Modellierungsaufwand lokal. Für große Modelle erfolgt die Lösung parallelisiert auf Hochleistungsrechnern (HPC) mit effizienter Skalierung.
Randbedingungen und physikalische Modelle
Die Genauigkeit hängt stark von präziser Definition der Randbedingungen ab: Ein- und Auslass, Wandreibung, Wärmestrom, Strahlung sowie Kopplungen an Nachbarzonen beschreiben die Wechselwirkung mit der Umgebung. Turbulenzmodelle (z. B. k-epsilon, SST k-omega), Mehrphasen- und Reaktionsmodelle sowie Modelle der Wärmeübertragung inklusive Wärmeleitung erfassen den Strömungsvorgang. Relevante Zielgrößen sind Druckverteilung, Stoffkonzentrationen und das lokale Temperaturverhältnis.
Anwendungsfelder
- Produktentwicklung: In Automobil-, Luftfahrt- und Raumfahrtprojekten ersetzt die numerische Aerodynamik Teile der Prüfungen im Windkanal. Visualisiert werden Durchströmung, Oberflächenkräfte und Überhitzung sensibler Komponenten. Ein erfahrener Engineer plant die Netztopologie, bewertet Randwerte und führt Sensitivitätsstudien zur Druckverteilung durch.
- Verfahrenstechnik: Pumpen, Rohrleitungssysteme, Reaktoren und Industrieöfen werden auf Druckverluste, Mischgüte und Reaktionswärmen ausgelegt. Für den metallurgischen Abschreckvorgang liefert die Abschrecksimulation lokale Abkühlraten und Verzugstreiber. In Turbomaschinen zeigt die Strömungssimulation, wie die Turbine auf Lastwechsel reagiert.
- Energietechnik und Belüftung: In Gebäuden werden Gebäudeumströmung und Gebäudedurchströmung untersucht, inklusive Raumluftströmung, Raumlufttemperatur, Lufttemperatur und Temperaturschichtung. Für Fassade und Doppelfassade liefert die Auswertung Kennwerte zu Wärmebrückenberechnung, Komforttemperatur und Wechselwirkung der Raumgeometrie mit Winterlasten im Wintergarten.
- Medizin: Analysen zu Blutstrom, Stents und Aerosolen koppeln Strömungsfelder an Gewebe- und Geräteparameter, um Schadstoffausbreitung in Laborraum und Klinik zu quantifizieren.
Stadtklimamodellierung betrachtet die Gebäudedurchströmung auf Quartiersebene und skaliert bis zur Metropole. Simulationen erfassen Außenluftpfade um Fassaden, berücksichtigen Gebäudeumströmung und leiten Empfehlungen für das Quartier ab. Ortstermine an einer Liegenschaft dienen der Datenerfassung für In-situ-Randwerte. Analysen werden in der Regel per Videokonferenz vorgestellt, wenn Teams nicht persönlich besuchen können.
Auswahl der Simulationstechnologie
Modellierungsfähigkeiten und Solver-Performance
Eine tragfähige Simulationstechnologie importiert komplexe CAD-Modelle, vernetzt robuste Topologien und integriert Turbulenz-, Mehrphasen- und Reaktionsmodelle. Wichtige Kriterien sind Stabilität, Konvergenz und Lösungsgeschwindigkeit, dokumentiert über ein Konvergenzkriterium (z. B. 1e-5) und typische Rechenzeiten. Für große, transiente Fälle empfiehlt sich eine initiale Probeberechnung mit gröberem Netz. Parallele Solver skalieren auf HPC-Clustern. Transiente Kopplungen unterstützen die Skalierung über viele Kerne.
Benutzerfreundlichkeit, Schnittstellen und Support
Ein durchgängiger Workflow umfasst Pre- und Postprocessing, direkte Datenübertragung aus CAD, Anbindungen an Computer Aided Engineering (CAE) und Kopplungen zur Festigkeitsberechnung. Für Betriebsdaten werden Messströme aus der Datenerfassung eingebunden. Design-Reviews lassen sich effizient per Videokonferenz durchführen, und für Validierungen können Teams Versuchsanlagen besuchen, um korrespondierende Sensorwerte aufzunehmen.
Messbare Kennzahlen und Validierung
Ausgewertet werden Geschwindigkeitsprofile in m/s, Druckverteilung in Pa, Temperaturanalyse in K oder °C und Massenströme in kg/s. Der Abgleich mit Messungen aus Windkanal und Kilolabor liefert typische Abweichungen von 2 % bis 8 %, ausreichend für belastbare Entscheidungen in Engineering-Projekten. Bei HVAC-Studien zeigen Felder der Luftströmung Luftwechselraten, Komfortkarten und die Wirkung von Lüftung im Betrieb.
| Kennzahl | Beschreibung | Typischer Bereich |
|---|---|---|
| Validierungsabweichung | Vergleich Simulation vs. Messung | 2 % – 8 % |
| Energieeinsparung | Optimierung von Pumpen, Ventilatoren, HVAC | 5 % – 15 % |
| Prototypenreduktion | Weniger physische Teststände | bis 50 % |
| Rechenzeit komplexer Fälle | Transient, viele Zellen | 1 – 24 Stunden |
| Modellierungsaufwand | Anteil an Projektlaufzeit | 20 % – 50 % |
| Konvergenzkriterium | Residualnorm für Navier–Stokes | 1e-4 – 1e-6 |
Anbieterlandschaft
Der Markt reicht von Allzwecklösungen bis zu Spezialwerkzeugen: Ansys, Siemens Digital Industries Software mit Simcenter STAR-CCM+ und FloEFD, Dassault Systèmes mit SIMULIA PowerFlow und XFlow, Altair mit AcuSolve und OpenFOAM-Integration, Cadence Fidelity CFD, MSC Cradle CFD, Comsol Multiphysics, Autodesk CFD, Numeca, Converge CFD sowie AxSTREAM von SoftInWay. Auswahlkriterien sind Funktionsumfang, Rechenleistung und Integrationsgrad in bestehende CAE-Umgebungen.
Praxisnahe Kurzbeispiele
- Pumpe im Kraftwerksnebenkreislauf: Optimierung der Schaufelkanäle senkte die hydraulischen Verluste, und die Durchströmung glich Sekundärwirbel aus. Stromaufnahme minus 9 %, validiert über Lastkennlinien.
- Gebäude-Atrium: Anpassungen an der Doppelfassade und der Zuluft führten zu ausgeglichener Temperaturschichtung. Komforttemperatur im Sommerbetrieb verbessert, Wintergarten ohne Zugerscheinungen.
- Tragflächenprofil: Numerische Aerodynamik reduzierte den Profilwiderstand, und die Luftströmung blieb auch bei höheren Anstellwinkeln angebunden. Prüfstandswerte bestätigten die Druckverteilung der Simulation.
Im Städtebau werden Strömungsfelder um die Fassade neuer Hochhäuser so ausgelegt, dass Wegeführung und Gebäudeumströmung die Schadstoffausbreitung minimieren. Auf Quartier-Skala werden Zu- und Abluftpfade betrachtet. Für die Metropole verbindet ein skalenübergreifendes Modell meteorologische Antriebe mit lokaler Gebäudedurchströmung.
FAQ zu Strömungssimulation
Wie wird Künstliche Intelligenz in moderne Strömungssimulationen eingebunden?
KI verbessert Strömungssimulationen durch maschinelles Lernen. Sie erzeugt Surrogatmodelle, die Rechenzeiten deutlich verkürzen und komplexe Designoptimierungen sowie Parameterstudien effizienter machen. Neuronale Netze ermöglichen präzisere Vorhersagen von Strömungsfeldern und verringern Modellierungsfehler.
Welche strategischen Vorteile bietet der Einsatz von CFD für Unternehmen
CFD beschleunigt die Produktentwicklung und senkt Kosten, da virtuelle Tests physische Prototypen und Prüfstandsversuche ersetzen. Dadurch verkürzen sich Innovationszyklen, die Produktqualität steigt und die Wettbewerbsfähigkeit verbessert sich.
Welche Anfangsinvestitionen sind bei der Einführung von Strömungssimulationssoftware erforderlich?
Die Investitionen umfassen Lizenzkosten, die von einigen tausend Euro für Basisversionen bis zu sechsstelligen Beträgen für umfangreiche Pakete reichen können. Zusätzlich entstehen Ausgaben für leistungsfähige Hardware, etwa Workstations oder HPC-Zugang, sowie für Mitarbeiterschulungen. Häufig kommen Kosten für externe Berater hinzu, die erste Projekte begleiten.
Welche zentralen Herausforderungen bestehen bei der Durchführung von Fluidanalysen?
Die Hauptanforderungen liegen in der Erstellung eines hochaufgelösten Rechengitters und der exakten Definition von Randbedingungen. Dies setzt umfassendes Fachwissen voraus. Zudem ist die Validierung der Simulationsergebnisse mit realen Messdaten aufwendig und entscheidend für die Ergebnisqualität. Auch der Bedarf an Rechenkapazitäten kann bei komplexen Modellen eine wesentliche Einschränkung darstellen.
Wie lange dauert ein Strömungssimulationsprojekt von Beginn bis zur Auswertung?
Die Projektdauer variiert je nach Komplexität zwischen wenigen Wochen und mehreren Monaten. Wesentliche Phasen sind Geometrieaufbereitung, Gittererzeugung, Berechnung sowie Nachbereitung und Auswertung. Zusätzliche Optimierungsiterationen oder Parameterstudien können die Laufzeit verlängern.
Welche Bedeutung hat der Digitale Zwilling für zukünftige CFD-Anwendungen?
Der Digitale Zwilling verbindet reale Anlagen mit ihrem virtuellen Modell in Echtzeit. Dadurch können Strömungssimulationen fortlaufend mit Betriebsdaten abgeglichen werden. Dies ermöglicht vorausschauende Wartung, Prozessoptimierung und die Simulation betrieblicher Szenarien zur Entscheidungsunterstützung. So steigen Effizienz und Zuverlässigkeit physischer Systeme deutlich.
Wie können kleine und mittlere Unternehmen Fluidanalyse-Technologien wirtschaftlich einsetzen?
KMU können Fluidanalyse-Technologien über Cloud-basierte CFD-Dienste kosteneffizient nutzen. Diese bieten flexible Abonnements und skalierbare Rechenleistung ohne hohe Anfangsinvestitionen. Alternativ eignen sich Open-Source-Lösungen wie OpenFOAM, die jedoch internes Fachwissen erfordern. Für spezifische Projekte kann die Beauftragung externer Ingenieurbüros eine ökonomische Option sein.
Hintergrund: Strömungssimulation
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Computational_fluid_dynamics Wikipedia
Die Wikipedia-Seite erläutert CFD: Navier-Stokes/ Kontinuitätsgleichung, Rand-/Anfangsbedingungen, Diskretisierung (FVM, FEM, FDM), Zeitintegrationsansätze, Turbulenz- und Mehrphasenmodelle, Validierung, typische Anwendungen (Aero-, Verfahrens-, Wärmetechnik) sowie verbreitete Software (z. B. Ansys, OpenFOAM) als kostengünstige Alternative zum Windkanal.