3D-CFD Berechnungsprogramme

Turbulenzmodelle

Die heutigen Hochleistungscomputer können den erforderlichen Aufwand für die direkte Lösung der Strömungsgleichungen einer turbulenten Strömung für praktische Anwendungen nicht bewältigen. Für die Simulation turbulenter Strömungen kommen unterschiedliche physikalische Turbulenzmodelle für die Mittelung der instationären turbulenten Schwankungen zum Einsatz. Sie können den Rechenaufwand erheblich verringern. CFD Rechenprogramme unterscheiden sich durch unterschiedliche Turbulenzmodelle und durch unterschiedliche Modelle für die Simulation des Geschwindigkeitsprofils in Wandnähe.

Large Eddy Simulation
Die LES ist die komplette numerische Lösung der unstationnären Navier-Stockes Gleichungen. Sie benötigt eine extrem hohe Rechenleitung, oft benutzt für die Aerodynamik von Flugzeugen und Autos.

k-ε Turbulenzmodel
in Kombination mit dem logarithmischen Wandgesetz ist es die standard Annäherung. Es erlaubt mit einem groben Gitter zu rechnen; die Wärmeübertragung wird dabei systematisch unterschätzt.

SST k-ω, Niedrig-Reynolds Turbulenzmodel
Die SST Fomulierung ist genauer als standard Modele in Hinblick auf Strömungsprofile, Wärmeübertragung und Rückströmungen.  Sie benötigt ein sehr feines hochwertiges Hexahedern Gitter in Wandnähe. Die Gittergenerierung für komplexe Geometrien wird aufwendig und die Rechenzeit sehr lang.

FloEFD, ein CFD Software für kartesisches Gitter

FloEFD ist entwickelt von Mentor Graphics eine Tochter von Siemens PLM. FloEFD kombiniert ein CAD Tool mit einem Generator von kartesischen Gittern, mit einem Löser der Strömung und mit Visualisierung-Funktionen. 
FloEFD kann sogar mit CAD von schlechter Qualität arbeiten, zum Beispiel zwei Bauelemente die interferieren. Durch die Integration mit dem CAD-System sowie durch das Auslassen der Gittergenerierung können Konstrukteure und Ingenieure sich vergleichsweise schnell einarbeiten.
Die Interpolation der Gitterzellen zu den Oberflächen erfolgt durch automatisch erzeugte geschnittenen Zellen. Die Ungenauigkeiten aufgrund dieser Interpolationen verschwinden mit zunehmender Zellenzahl. Es empfiehlt sich deshalb, die Endberechnungen mit höherer Zellenzahl auszuführen.
FloEFD bietet das k-ε Turbulenzmodell mit Wandfunktionen, hergeleitet vom Van Driest-Geschwindigkeitsprofil; dabei werden zwei unterschiedliche Annäherungen des Profils in Wandnähe, in der so genannten Grenzschicht, gemacht, jeweils eine für die dünne und eine für die dicke Schicht. Das Van Driest-Profil gehört zu den vertrauten Grenzschichtannäherungen. Für die Berechnung der Belüftung und Kühlung sollte dies genügen. 

FloEFD für Siemens NX, für Solidedge ...

Die Grundversion von FloEFD ist im CAD-Programm Solid Edge eingebettet. FloEFD ist auch in Kombination mit CATIA.v5, Siemens NX, Solidworks, Autodesk Inventor, Pro/ENGINEER Wildfire oder Creo verfügbar. Alle diese CAD Tools arbeiten einwandfrei mit FloEFD. Die Grundidee ist, dass der Anwender weiterhin im CAD-System des Betriebs arbeiten kann.  Der Strömungsberechnungsingenieur muss sich zwar ins CAD Tool einarbeiten, es ist dennoch heute ein Muss für einen ausgebildeten Maschinenbauingenieur ein CAD-System zu beherrschen. Im Vergleich bringt die Einarbeitung in spezielle Geometrievorbereitung Tools wie Salome, Ansa, Ansys Design Modeler oder Space Claim recht wenig, weil diese ausschließlich in Zusammenhang mit bestimmten Simulationssoftware eingesetzt werden. Die gängigen CAD Tools arbeiten mit dreidimensionalen Bauteilen die in Baugruppen eingeordnet sind. Die speziellen Geometrievorbereitung Tools arbeiten mit Oberflächen. Deshalb ist der Übergang von eimem CAD Tool zu einem anderen wesentlich einfacher als von einem Geometrievorbereitung-Tool zu einem CAD-Tool.   

Automatische Gittergenerierung eines karteischen Gitters in FloEFD für Siemens NX
   
Automatische Gittergenerierung in FloEFD für Siemens NX
 

CFD Software für Geometrie angepasstes Gitter

Die bekannten Softwares sind CFX, Fluent und STAR-CCM; sie sind alle drei umfangreich, können in den meisten Fällen angewendet werden und bieten mehre Turbulenzmodelle. Die Generierung eines an die Geometrie angepassten Gitters ist meist die zeitaufwendigste Operation des ganzen CFD-Prozesses.