3D CFD Berechnungsgitter

Das Berechnungsgitter in einer numerischen Strömungssimulation beschreibt die Punkte, an denen die Strömungsgleichungen gelöst werden.
Stabilität und Genauigkeit der Berechnung hängen stark von Typ und Qualität des Rechengitters ab.
Die  konjugierte Wärmeübertragung ist die gegenseitige Beeinflussung der Temperaturfelder der Festkörper und der  Strömung; diese müssen hier simultan berechnet werden; das Gitter muss sowohl das  Fluid als auch die Festkörper umfassen.    

Geometrisch angepasstes strukturiertes Gitter

Strukturierte Gitter haben eine regelmäßige Topologie; die  Zellen sind regelmäßig platziert, so dass sich die Zellen durch ganzzahlige Zahlen indizieren lassen.
Damit das Gitter an die Geometrie angepasst wird, müssen die Gitterlinien der Körpergeometrie folgen. Das Gitter für die flüssigen Medien wird zuerst generiert, in dem das Negativ der CAD-Geometrie, also das freie Volumen zwischen den festen Teilen, definiert wird. Dieses Volumen wird dann in kleinere Bereiche, so genannte Gitterzellen, aufgeteilt.
Wenn die Gitterqualität höchsten Ansprüchen genügen soll, ist ein reines Hexaedergitter erforderlich. Der Rechenbereich wird im Programm für die Geometriebearbeitung oder im Gitterprogramm in Blöcke zerteilt, die dann in Hexaeder-Zellen zerteilt werden.

 

Geometrisch angepasstes structuriertes Gitter mit Hexaedern
Geometrisch angepasstes Gitter mit Hexaedern
Geometrisch angepasstes unstrukturiertes Gitter mit Tetraedern
Geometrisch angepasstes unstrukturiertes Gitter mit Tetraedern

geometrisch angepasstes unstrukturiertes Gitter

Sehr verbreitet seit dem Jahr 2000 sind auch numerische Verfahren, die auf unstrukturierten Gittern, mit Grundelementen wie Dreiecken (in 2D) oder Tetraedern (in 3D) basieren. Das Gitterprogramm generiert mehrheitlich automatisch Zellen, die dem Verlauf der Geometrie angepasst sind. Bei komplexen Geometrien ist es sehr aufwendig, ein gutes Tetraedergitter zu erstellen; stark verzerrte Zellen würden die Rechenkonvergenz verhindern. Der Benutzer muss deshalb intervenieren und die richtigen Parameter manuell setzen.
Kombinationen von Tetraedern und Hexaedern sind üblich, um die Grenzschicht mit dünnen Zellen zu lösen.

 

Mischung strukturierten Hexa-Gitters und unstrukturierten Tetra-Gitters Strukturiertes kartesisches Gitter
Mischung strukturierten Hexa-Gitters und unstrukturierten Tetra-Gitters

   Strukturiertes kartesisches Gitter

Unstrukturierte Gitter benötigen im Allgemeinen ein Mehrfaches des Speicherbedarfs von strukturierten Gittern und verursachen in der Regel einen dreifachen höheren Rechenaufwand. Seit circa 2005 wurden neue kommerzielle Software vermarkt, die auf neuartige Gittertypen wie kartesische Gitter basieren. Die Firma CD-adapco entschied sich damals, statt ihr Rechentool STAR-CD weiter zu verbessern, ein völlig neues Tool zu entwickeln: Star-CCM+ mit einem Gitter aus Polyhedern.

Kartesisches Gitter

Die bessere Alternative zu den an die Geometrie angepassten Gittern bietet das kartesische Gitter. CFD-Software wie FloEFD, FloTherm oder Solidworks Flow Simulation ermöglichen genauere und effizientere Algorithmen. Die Körpergeometrie wird anschaulich in das Berechnungsgitter versenkt (englisch “immersed”). Hier können die Gitterlinien aber nicht an eine komplexe Körpergeometrie angepasst werden. Wenn die Ränder (engl. “boundaries”) des Körpers nicht mit dem Berechnungsgitter übereinstimmen, werden Interpolationen benötigt, um den Versatz des Geometrierandes zum Berechnungsgitter auszugleichen. Der effizientere Lösungsalgorithmus für das kartesische Gitter wird trotz der Interpolation beibehalten. Mit der "Immersed Boundary" Methode ist es einfach, komplexe Geometrien zu simulieren, da das kartesische Gitter immer erhalten bleibt und der Körper nur in das Gitter versenkt wird.

Rotation und bewegtes Gitter

Das gesamte rotierende Bereich kann durch die Eingabe eines rotierenden Koordinatensystems definiert werden, zum Beispiel für Pumpen und Turbomaschine. Der Übergang vom rotierenden zum festen Bereich erfolgt durch eine Mischungsebene.

Eine genauere Methode, um die Rotation zu simulieren ist das bewegte Gitter. Dabei wird die Strömung instationär durch die Eingabe von Zeitschritten berechnet; das rotierende Bereich wird für jeden Zeitschritt neu positioniert. Die Rechenzeit ist deutlich länger als mit einem rotierenden Koordinatensystem. Das bewegte Gitter musste benutzt werden, wenn die Strömung aufgrund von unregelmässigen Gegenständen auch unregelmässig über den Umfang zu erwarten ist, zum Beispiel für die Auslegung von Axiallüftern. Die Methode des bewegten Gitters ist bei aller herkömmlichen CFD-Software verfügbar.

 
     Bewegtes kartesisches Gitter für einen Radiallüfter