Problematik


Den meisten Strömungsproblemen der Praxis liegt ein System nichtlinearer, partieller Differentialgleichungen zugrunde. Diese lassen sich jedoch nur in einfachen Ausnahmefällen analytisch lösen.



Quelle: „Ein Jahrhundert Flugzeuge“ von Ludwig Bölkow, VDI-Verlag 1990


Lösungsmöglichkeiten früher


Solange leistungsfähige Computertechnik noch nicht zur Verfügung stand, war man damit auf empirisches Vorgehen angewiesen, wenn man das Verhalten von strömungstechnischen Systemen untersuchen wollte. Die Windkanäle der großen Forschungseinrichtungen belegen das eindrucksvoll.

Versuche in Wind- oder Strömungskanälen sind sehr aufwendig. Nicht nur Bau und Betrieb eines Windkanals selbst, auch das zu untersuchende Modell und die benötigte Meßtechnik sind außerordentlich anspruchsvoll und kostenintensiv. Sie blieben schon deshalb den einschlägigen Forschungsanstalten, großen Flugzeugbauern und großen Automobilherstellern vorbehalten. Manche Strömungsparameter sind im Versuch überhaupt nicht direkt zu erfassen, etwa weil die Meßtechnik dafür nicht existiert, oder weil die erforderlichen Meßfühler das System ihrerseits zu sehr beeinflussen würden.

Man suchte deshalb frühzeitig nach Verfahren, mit denen man strömungstechnische Systeme mit weniger Aufwand untersuchen und optimieren kann.

Wie schon im klassischen experimentellen Vorgehen spielte auch hier die Luftfahrt den Vorreiter. Ungefähr ab 1985 standen Programme zur Simulation der Strömungsvorgänge an Flugzeugen (auf Größtrechnern) zur Verfügung und wurden dort eingesetzt. Für übliche Fragestellungen in industriellen Strömungskreisläufen waren aber auch diese weder bezahlbar noch brauchbar.


Lösungsmöglichkeiten heute


Heute steht als Alternative die numerischen Simulation (computational fluid dynamics, CFD) auf dem Personalcomputer zur Verfügung. Preisverfall und Leistungszuwachs auf dem PC-Sektor wie auch die Weiterentwicklung der Software haben dazu geführt, daß die CFD inzwischen auch für die breite Anwendung in der Industrie wirtschaftlich einsetzbar ist.


Vorteile der numerischen Simulation


Gegenüber dem Versuch – der auch auf absehbare Zeit unverzichtbar bleiben wird – hat die Simulation folgende Vorteile:
  • Die zu untersuchende Baugruppe braucht nicht körperlich zu existieren – ideal geeignet für die entwicklungsbegleitende Optimierung
  • Störende oder nicht mehr sicher nachzuvollziehende Umgebungseinflüsse sind ausgeschlossen
  • Es stehen erheblich mehr und detailliertere Daten zur Verfügung, als messtechnisch erfasst werden können
  • Ergebnisse stehen erheblich früher zur Verfügung, und das zu einem Bruchteil der Kosten
  • Perfekte Visualisierung erleichtert die Auswertung
  • Perfekte und präsentable Dokumentation
Herkömmliche Programmpakete zur Strömungssimulation sind unabhängig vom CAD konzipiert.

Wir verwenden SolidWorks Flow Simulation, ein kommerzielles Programmpaket zur Strömungssimulation der Firma Dassault Systèmes S.A.

SolidWorks Flow Simulation arbeitet mit den nativen Daten aus dem CAD-Paket. Die Umwandlung der Fertigungsdaten in anderes Format zur Simulation entfällt. Das reduziert nicht nur den Aufwand und damit Zeit und Kosten für die Simulation.

Weil die Simulation mit nativen CAD-Daten erfolgt, entfällt auch der Aufwand zur Rückübersetzung von per Simulation optimierten Geometriedaten ins CAD.

Der Weg vom Entwurf bis zum strömungstechnisch optimalen und außerdem fertigungsgerechte Produkt ist erheblich schneller und kostengünstiger.