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ACHEMA Trendbericht Computational Fluid Dynamics

Produktdesign und Betriebsabläufe mit numerischer Strömungsmechanik optimieren

29.01.2009 | Redakteur: Marion Henig

Modellierung mit numerischer Strömungsmechanik (CFD) unterstützt Ingenieure bei der Optimierung des Produktdesigns und von Betriebsabläufen. Im Bild zu sehen sind die Verwirbelungen in einem Rührer.
Modellierung mit numerischer Strömungsmechanik (CFD) unterstützt Ingenieure bei der Optimierung des Produktdesigns und von Betriebsabläufen. Im Bild zu sehen sind die Verwirbelungen in einem Rührer.

Heute stellt die CFD-Modellierung eine leistungsstarke Möglichkeit für Ingenieure, Forscher und andere technische Fachleute dar, um Abläufe innerhalb der meisten verfahrenstechnischen Einrichtungen, wie Rührwerke, Reaktoren, Pumpen, Verbrennungssysteme, Reinigungsanlagen, Rohrleitungen und andere Arten komplexer verfahrenstechnischer Behälter, zu visualisieren. Den aktuellen Stand der Technik finden Sie auf der ACHEMA, eine Einführung in die Materie lesen Sie hier.

Die Software für numerische Strömungsmechanik (CFD) liefert digitale Lösungen für physikalische Gleichungen, auch als Navier-Stokes-Gleichungen bekannt, die die Erhaltung von Masse, Impuls und Energie bestimmen. Durch Lösen dieser Gleichungen an mehreren Tausend diskreten Punkten eines „Computational Grid“ (Berechnungsgitters), das näherungsweise die Geometrie der Anlagenkomponente oder des modellierten Systems wiedergeben soll, sind CFD-Programme in der Lage, kritische Prozessphänomene wie Flüssigkeitsströmung, Massen- und Wärmeübertragung oder chemische Reaktionen effektiv zu simulieren. Wird die CFD-Modellierung mit anderen Typen von Modellierungssoftware kombiniert, so können die Benutzer nicht nur das Strömungsverhalten im System verstehen, sondern auch Strukturverhalten, Ermüdungs- und Vibrationseigenschaften in der Anlage analysieren und vorhersehen, um letztlich die Anlagenleistung besser zu prognostizieren.

CFD-Modellieren ist bereits seit mehreren Jahrzehnten eingeführt. Allerdings wurde die Modellierungstechnik in den ersten Jahren vor allem von Spezialisten im akademischen und industriellen Bereich eingesetzt, die über den spezifischen akademischen Hintergrund und die umfassende Ausbildung verfügten, die für den Umgang mit einer derart spezifischen Software erforderlich waren. Heute sind CFD-Standardprogramme dank kontinuierlicher Weiterentwicklungen bei minimalem Schulungsaufwand schneller, leistungsfähiger, intuitiver und einfacher zu benutzen als je zuvor, was zu einer erheblich weiteren Verbreitung dieser leistungsfähigen Modellierungstechnik geführt hat.

Anlagenkonstrukteure nutzen die CFD-Modellierung nun zur Straffung des Anlagenkonstruktionsprozesses, zur Reduzierung des Design-Zyklus, zur Verkürzung der „Time-to-Market“ für das Produkt und zur Senkung der Herstellungskosten, weil der Aufwand für die Entwicklung komplexer Prototypen und die Durchführung physischer Tests vermindert wird.

Heute können Anlagen-Designer mittels CFD-Analysen Anlagen der nächsten Generation bereits im Vorfeld planen und bewerten, ineffiziente Ansätze ändern oder ausschließen und die erfolgreichen Strategien validieren. Inzwischen kommt die CFD-Modellierung auch bei Anlagenbetreibern zur Feinabstimmung der Betriebsparameter zum Einsatz; so können Betriebsabläufe fehlerfrei gestaltet und optimiert werden, Emissionen werden reduziert, Vibrationsprobleme gemindert und Durchsatz und Produktausbeuten erhöht.

Und so funktioniert CFD

Nachdem die zu modellierende Komponente mittels „Mesh-Generation-Software“ ausreichend beschrieben wurde und einige der herrschenden Strömungsbedingungen spezifiziert wurden, werden die in der Berechnung eingebetteten CFD-Algorithmen aktiviert, um das Verhalten von buchstäblich allen Strömungsfeldern beim Durchströmen der komplizierten Geometrie zu charakterisieren, zu simulieren und vorherzusagen. Die Software ermöglicht eine visuelle Darstellung und Vorhersagen in Bezug auf eine Reihe von Betriebsphänomenen wie Reaktionsgeschwindigkeiten, Mischen, Ablösen von Strömungen, Materialverteilung, Temperatur- oder Druckverteilung und Scherratenverteilung.

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