Innovatives Computational Fluid Dynamics CFD – ohne klassische Vernetzung

Hat auch Wirbel im Griff

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Der Xflow-Ansatz zur CFD-Analyse ermöglicht eine benutzerfreundliche komplexe 3D-Berechnung. Vorteil der verwendeten Berechnungsmethodik ist, dass alle Strömungen dargestellt werden können – ob laminar oder hochgradig turbulent, ob Körper darin und darum bewegt werden, ob Wärmeübertragung stattfindet oder nicht. Die Software erkennt das Verhalten der Strömung selbstständig, detektiert entstehende Wirbel und Randeinflüsse und führt notwendige Parameteränderungen durch.

Die numerische CFD-Simulation von Strömungsvorgängen hat in den vergangenen Jahren erhebliche Relevanz in der Produktentwicklung gewonnen. Kommerziell erhältliche CFD-Codes arbeiten derzeit fast ausschließlich mit Finite-Elemente (FE)-Netzen. Die Qualität der Netze hat einen direkten Einfluss auf die Ergebnisqualität. Das bedeutet für den Anwender einen erhöhten Arbeitsaufwand bei der Vorbereitung des (zumeist quasi-statischen) Rechenlaufs. Sich bewegende Körper, Mehrphasenströmungen oder im Verlauf der Rechnung notwendige Netzveränderungen stellen zudem oft ein Problem dar. „Xflow“ verfolgt daher einen anderen Ansatz als herkömmliche CFD-Codes.

Gasgleichung nach Lattice-Boltzmann
Bei der Software handelt es sich um eine CFD-Lösung auf Basis der erweiterten Gasgleichung nach Lattice-Boltzmann. So können auch Flüssigkeiten dargestellt werden. Die energiebasierte Berechnung erfolgt transient, weshalb gerade hochdynamische Vorgänge sehr gut simulierbar sind.Die Interaktion des Strömungsmediums mit den Wänden und anderen Körpern wird dabei ebenso miteinbezogen wie die Interaktionen zweier Medien untereinander.
Xflow bietet dem Anwender eine neue Schnittstelle und Arbeitsumgebung, moderne Visualisierung und ein konfigurierbares Layout. Preprozessor, Solver und Postprozessor sind vollständig in dieselbe Umgebung integriert. Zu den Stärken zählen:
  • einfache Modellierung, da auf einen zeitaufwändigen Vernetzungsprozess verzichtet wird
  • effiziente Designoptimierung durch einfachstes Job-Setup
  • dynamisch-transiente Berechnungen mit bewegten Körpern und/oder veränderten Randbedingungen
  • Berechnungen im Überschall/Unterschallbereich und Akustik sowie
  • Berechnungen von Zwei-Phasen-Strömungen, beispielsweise Öl-Wasser.
Keine Vernetzung
Der vernetzungsfreie Ansatz ist partikelbasiert mit einem Lagrange-Ansatz. Das bedeutet, dass die klassische Vernetzung des Fluids nicht erforderlich ist und die Komplexität der geometrischen Oberflächen keine Einschränkung darstellt. Die Software kann bewegliche und deformierbare Körper verarbeiten und ist tolerant in Bezug auf die Qualität der importierten CAD-Geometrien.
Xflow verfügt über einen neuartigen partikelbasierten kinetischen Algorithmus, der die Boltzmann-Gleichung und die kompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen löst. Der Solver bietet moderne Grobstruktursimulation (Large Eddy Simulation, LES) und ausgereifte Wandmodelle. Turbulente als auch laminare Strömungen können gleichzeitig existieren und sich über die Zeit verändern.
Umfangreiche Funktionen für Modellerstellung und Analyse
Das Programm kann große und komplexe Modelle verarbeiten und vereinfacht das Aufsetzen der Analyse mit beweglichen Körpern, erzwungener oder eingeschränkter Bewegung oder Kontaktmodellierung. Der Xflow-Solver unterstützt Thermalberechnung, Strömung durch poröse Medien, nichtnewtonsche Fluide und komplexe Randbedingungen.
Automatische Gebietsverfeinerung erleichtert die genaue Abbildung von Wirbelquellen oder Wandeffekten, während „harmlose“ Bereiche vergröbert werden. Der Modellierungsaufwand wie CAD einlesen oder Strömungseingänge und -ausgänge definieren ist minimalistisch. Xflow passt die Auflösung automatisch an die Anforderungen des Simulationsmodelles an. Dadurch wird die Qualität der Lösung in Wand- und Körpernähe optimiert. Verwendet wird ein einheitliches Wandmodell. Das heißt, es ist nicht erforderlich vor der Berechnung Annahmen zu treffen.
Die Funktionen zur Nachbearbeitung ermöglichen eine interaktive Visualisierung, beispielsweise das Verfolgen von Strömungen mit Linien und Partikeln zu festen Zeitpunkten oder transient oder die Auswertung von Sensoren. Ergebnisgrößen sind unter anderem Wirbelstärken, Schalldruck oder Geschwindigkeiten. Generell sind die Möglichkeiten der Ergebnisdarstellung, zum Beispiel das Ausblenden unwichtiger Ergebnisbereiche, sehr effizient, da hier Next Limit auf reichhaltige Erfahrung mit Grafikprogrammen zurückgreifen kann. Darüber hinaus bietet das Programm Tools für eine numerische Verarbeitung und ermöglicht den Export in Fremdanwendungen, wie beispielsweise „Paraview“.
Für zahlreiche Aufgabenstellungen
Xflow kann zahlreiche Aufgabenstellungen der internen und externen Strömungen lösen. Die Software eignet sich insbesondere für die Berechnung von transienter Aerodynamik und zum Beheben von Problemen mit komplexer Geometrie und Randbedingungen.
Im Automobilbereich kann der Thermo-Solver beispielsweise für die Simulation von Belüftung, Heizung und Klimaanlage im Fahrzeuginnenraum eingesetzt werden. Es ist möglich, den Luftstrom im Innenraum zu analysieren, die Temperatur an unterschiedlichen Standorten zu messen und den Transport von Partikeln wie Staub zu berechnen. Die Software kann zudem für die Simulation von Problemen mit freien Oberflächen verwendet werden. Dazu zählen der Tankvorgang, das Überschwappen im Kraftstofftank, Spritzwasser von Rädern bei nasser Fahrbahn oder das Fahren durch Pfützen.
Im Luftfahrtbereich können mit dem „Tunnel Module“ maßstabsgetreue Simulationen aus klassischen Tragflächentests bis hin zu detaillierten Flugzeugkonfigurationen abgebildet werden. Es ist sogar möglich, komplette Flugzeuge in Hochauftriebskonfigurationen zu berechnen.
Im maritimen Bereich kann man die Wellenausbreitung simulieren. Die Software besitzt analytische Funktionen für die Definition der Wellenprofile und somit für die Abbildung der See. Mit Hilfe eines Assistenten wird die Festlegung progressiver Wellen bedienerfreundlich unterstützt. Außerdem kann ein Porenvolumen für die Abbildung des Strands und zur Analyse der Wellenteilung einbezogen werden. Ebenso kann die Aerodynamik von Windturbinen im virtuellen Windkanal mühelos analysiert werden. Der Rotor wird dabei vom Wind angetrieben und die Turbine reagiert gemäß der vorliegenden Reaktionskräfte und Zwangsbedingungen. Windschatten- oder Interferenzeffekte in Windkraftanlagen sind so zu prognostizieren.
Der Thermal-Solver kann für die Simulation der Kühlung elektrischer Komponenten verwendet werden, um diese innerhalb des sicheren Betriebstemperaturbereichs zu halten. Die thermische Simulation kann Konvektion/Diffusion, Strahlung und konjugierte Wärmeübertragung umfassen, gekoppelt an die durch die Ventilatoren erzeugte Strömung.
online-Info

Xflow und MSC Software
Xflow wird in Deutschland von MSC vertrieben. Der Computer Aided Engineering (CAE)-Anbieter ist eine Partnerschaft zur strategischen Marktentwicklung mit dem Entwickler von Xflow, Next Limit Technologies, eingegangen. Die Konnektivität mit MSC-Lösungen befindet sich in der Planungsphase. Aufgrund der Integration in MSC/MD Nastran, Marc und Adams können Flüssigkeiten demnächst mit flexiblen Strukturen und Mehrkörperdynamik gekoppelt werden.
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