Strömungsmechanik Grundlagen

Nachfolgend möchten wir Ihnen einige grundlegende Zusammenhänge näherbringen, ohne in die Welt der Differentiale und Integrale einzutauchen. Jeder Strömungsmechaniker bzw. Simulationsingenieur sollte Ihnen diese (wenn schon nicht herleiten dann zumindest) problemlos erklären bzw. deren Zusammenhänge aufzeigen können. Wir möchten betonen, dass diese Übersicht keinen Anspruch auf Vollständigkeit erhebt.

Technisch logische Überlegungen führen nicht immer zu strömungsmechanisch sinnvollen Lösungen. So kann es passieren, dass – trotz reiflicher Überlegung – Ihr gewünschter bzw. erwarteter Betriebspunkt in Ihrer Maschine / Anlage nicht erreicht wird. Eine mögliche Ursache könnte drallbehaftete Strömung sein, da das Fluid trotz gleicher Rohrlänge innerhalb des Rohres einen längeren Weg zurücklegen muss. Dies führt zu einem höheren Anlagenwiderstand / Druckverlust. Andere mögliche Ursache: In einer komplexen Anlage können die Verlustbeiwerteζ (griech.: zeta), z.B. für Automobile = Verlustbeiwert cW ∙ projizierte Fläche A der einzelnen Bauteile mitunter nicht einfach aufaddiert werden. Bauteile beeinflussen sich gegenseitigprinzipiell: je geringer die Entfernung, desto größer der Einfluss (nicht nur stromabwärts) und somit auch den Anlagenwiderstand. Mit unserer Erfahrung sind diese Herausforderungen – und alle weiteren – schnell und unkompliziert gemeistert.

Kontinuitätssatz / Massenerhaltung

Stellen Sie sich vor, wie gleiche Fahrzeuge in gleichen, konstanten Abständen durch einen Tunnel fahren. Gleiche Fahrzeuge besitzen gleiche Massen und auch Volumen. Gleiche Massen in konstanten Abständen kann auch als konstante Dichte interpretiert werden.

Kontinuitätssatz

Der Kontinuitätssatz besagt, dass der Massenstrom(Fahrzeug)Massen pro Zeiteinheit ṁ = Q∙ρMassenstrom = Volumenstrom∙Dichte über ein Kontrollvolumen Z.B. besagter Tunnel konstant ist. Anders ausgedrückt: Die Masse, die hinein geht, kommt (zeitgleich) auch wieder heraus. Für unser Beispiel und für den Fall inkompressiblerWasser wird selbt in 4000 m Tiefe (d.h. 400  bar Druck) nur ca. 2 % komprimiert Fluide ist die Dichte konstant. Der Kontinuitätssatz vereinfacht sich somit hin zu konstantem Volumenstrom Q = v∙AVolumenstrom = (mittlere) Geschwindigkeit∙(Querschnitts)Fläche. Die Querschnittsfläche A wäre in unserem Beispiel gleich der Anzahl an Fahrspuren.

Stellen Sie sich weiter vor, der Tunnel wäre zweispurig und aufgrund einer Baustelle in der Mitte nur einspurig. In Fluidströmungen passiert nun etwas, das in der Verkehrswelt undenkbar ist. Statt beim Einfädeln abzubremsen (und dadurch einen Stau zu verursachen), beschleunigen die Fluidteilchen (analog der nebenstehenden Abbildung). Ihre Geschwindigkeit ändert sich umgekehrt proportional zum Querschnitt. In unserem Fall verdoppelt sich ihre Geschwindigkeit, da sich die Anzahl an Fahrspuren halbiert.

Satz von Bernoulli

Der Satz von BernoulliSchweizer Mathematiker / Physiker, 1700-1782 besagt, dass die Gesamtenergie eines Fluidteilchens entlang eines Stromfadensz. B. Fahrspur im Tunnel konstant ist. In Druck-SchreibweiseDurch Umstellen ist auch die Energie- und Höhen-Schreibweise möglich lautet dieser: ptot = pstat + pdyn + pgeo = konstant. Der Totaldruck ist gleich der Summe aus statischem, dynamischem und geodätischem Druck und ändert sich entlang des Stromfadens nicht.

Hydrostatisches Paradoxon

pgeo = ρ∙g∙HDichte∙(Erd)Beschleunigung∙Höhe ist primär von H abhängig und wird oft mittels der Wassersäule (WS1 mbar = 10 mmWS = 100 Pa) umschrieben. Es ist somit leicht verständlich, dass der Druck beim Tauchen steigtpro 10 m um ca. 1 bar oder dass Flugzeuge Druckkabinen benötigen, da der Druck mit der Höhe sinktpro 5.000 m auf ca. die Hälfte.

pdyn = ρ / 2∙v² resultiert aus der Strömungsgeschwindigkeit und lässt sich leicht selbst erfahren, wenn man die eigene Hand anpustet oder diese beim Autofahren aus dem Fenster hält. In diesem Fall wird der dynamische Druck in eine Kraft umgewandelt, die Ihre Hand wegdrückt.

pstat ist der Umgebungsdruck, auf der Erde − um uns herum − entspricht er dem Atmosphärendruck. Das sind immerhin ± 1.013 hPa = 101.300 Pa = 101.300 N / m² ≈ 10,3 Tonnen / m². Wir stehen somit − ohne dass jemand auf uns einwirkt − ganz schön unter Druck. Da der Druck in unseren Körpern jedoch gleich hoch ist, merken wir davon nichts. Veranschaulichen können Sie sich den statischen Druck, wenn Sie aus einer leeren PET-Flasche die Luft heraussaugen. Damit senken Sie den Druck im Inneren ab und sehen, wie die Flasche "von Zauberhand" durch den größeren Außendruck zusammengedrückt wird.

Bernoulli´s Satz zeigt auch anschaulich, dass der Druck nicht von der Fluidmenge abhängt. Dies ist als "Hydrostatisches Paradoxon" (siehe nebenstehende Abbildung) bekannt. Der Druck entlang der rot eingezeichneten Linie ist in diesem offenen Behälter konstant.

Impulssatz /-erhaltung

Schon NewtonEnglischer Universalgelehrter, 1643-1727 hat in seinem 1. Axiom festgehalten, dass sich ein kräftefreierVerluste, Reibung werden vernachlässigt Körper mit gleichbleibender Geschwindigkeit und Richtung fortbewegt. Die Geschwindigkeit kann hier auch null betragen, was einem ruhenden Körper entspricht. Somit ist I = m∙vImpuls = Masse∙Geschwindigkeit in einem kräftefreien Feld konstant. Es ist zu sehen, dass der Impuls über die Geschwindigkeit beeinflusst wird. Geschwindigkeitsänderungen (pro Zeiteinheit) werden durch Beschleunigen oder Bremsen (= negatives Beschleunigen) bewirkt.

Der Impuls ändert sich jedoch auch mit der Masse. Dies klingt zunächst paradox, da Massen normalerweise konstant sind. Das liegt an dem Umstand, dass wir dazu tendieren, die LagrangeItalienischer Mathematiker, 1736-1813 Betrachtungsweise zu nutzen. Diese ist objektbezogen, d.h. man ist ein mitbewegterWir sitzen im fahrenden Fahrzeug (= Masseteilchen) Beobachter. Im Gegenzug ist die EulerSchweizer Mathematiker, 1707-1783 Betrachtungsweise ortsbezogen, d.h. man ist ein außenstehenderWir stehen am Straßenrand und sehen Fahrzeuge vorbeifahren Beobachter. Impulsänderungen resultieren in einer Kraftwirkung auf den Körper. Daraus folgt das 2. Axiom und je nach Betrachtungsweise: F = m∙aKraft = Masse∙Beschleunigung bzw. ṁ∙v.

Einzelne Impulse von Körpern können sich im Sinne eines Gesamtsystems jedoch auch addieren oder aufteilen. Trifft beispielsweise eine Billardkugel auf eine ruhende zweite, bewegen sich beide Kugeln im Anschluss mit der halben GeschwindigkeitVerluste in Form von Reibung, Dämpfung usw. werden vernachlässigt der ersten weiter (da beide Kugeln gleich schwer sind).

Strömungsmaschinen Grundlagen

Drehimpuls-/ Drallsatz


Geschwindigkeitsdreiecke
Geschwindigkeitsdreiecke

Der Impulssatz kann für den Fall der Bewegung auf einer gekrümmten Bahn mittels des Ortsvektors r (= Radius zum Drehzentrum) adaptiert werden. Daraus folgt der Drehimpulssatzauch Drall- oder Momentensatz: D = r x I = m∙(r x v) . Da nur der senkrecht auf dem Radius stehende Teil des Geschwindigkeitsvektors (= vUvU = v∙cos α || uu = r∙ω = r∙2π∙n) zur "Hebelwirkung" beiträgt, lautet der Drehimpuls vereinfacht: D = m∙r∙vU . Die zeitliche Ableitung des Drehimpulses entspricht dem Drehmoment: M = ṁ∙r∙vU . Nach Einsetzen und Umstellen erhält man die Leistung: P = M∙ωMechanische Leistung = Drehmoment∙Drehwinkelgeschwindigkeit = ṁ∙Δ(u∙vU) = Q∙ΔpHydraulische Leistung = Volumenstrom∙Druckdifferenz . Da hier eine ideale Maschine betrachtet wird, sind die Leistungen gleich groß, d.h. der Wirkungsgradη (griech.: eta) beträgt 100 %.

Laufräderauch Rotoren werden oftmals mithilfe sogenannter Geschwindigkeitsdreieckesiehe nebenstehende Bilder am Beipiel vorwärtsgekrümmter Schaufeln berechnet bzw. ausgelegt. Über v = u + w sind die Absolut- = Umfangs- + Relativgeschwindigkeit vektoriell verknüpft. α bezeichnet den Absolut- und β den Relativwinkel (= Schaufelwinkel). Die Indizes 1, 2 beziehen sich auf den Eintritt, Austritt des Schaufelkanals. Mittels der geometrischen Beziehung (Cosinus-Satzw² = u² + v² − 2∙u∙v∙cos α) und etwas Umstellen / Einsetzen lässt sich die Strömungsmaschinen-Hauptgleichung (SMHG) nach Euler herleiten: (u² + v² − w²) / 2 = u∙vU . Der linke Term dieser Gleichung entspricht der zweiten Form und der rechte Term der ersten (üblicheren) Form der SMHG.

Integriert über das Laufrad ergibt sich: YSpezifische Schaufel- bzw. Stutzenarbeit = P / ṁ = u2∙v2u − u1∙v1u . Sie erkennen den direkten Zusammenhang zum abgeleiteten Drehimpulssatz. Falls die Zuströmung drallfreid.h. v1U = 0 ist, wird Y (theoretisch) maximal. In realen Maschinen werden die integralen Größen (M, ω bzw. n, Q, Δp) gemessen und über den Quotienten beider LeistungenPmech / Phydr für Kraftmaschinen, Phydr / Pmech für Arbeitsmaschinen der Wirkungsgrad ermittelt. Welche Strömungsmaschinen Bauart für den jeweiligen Anwendungsfall verwendet werden sollte (hoher Wirkungsgrad), kann mithilfe des CordierDeutscher Ingenieur Diagramms ermittelt werden.

Coriolis Kraft

Die CoriolisFranzösicher Mathematiker und Physiker, 1792-1843-Kraft gehört zu den Schein- bzw. Trägheitskräften und wirkt auf jeden Körper, der sich in einem rotierenden Bezugssystem bewegt. Diese Kraft lässt sich mittels des Foucaultschen Pendelsnach Léon Foucault, französicher Physiker, 1819-1868 veranschaulichen. Stellen Sie sich ein (entsprechend aufgehängtes) dicht über dem Boden schwingendes Pendel vor. Um das Pendel herum sind kreisförmig Plättchen aufgestellt. Es kann nun beobachtet werden, dass das Pendel scheinbar nicht nur hin und her schwingt. Das Pendel dreht sich bzw. wird abgelenkt, da es nach und nach die Plättchen umstößt. Tatsächlich ist es jedoch der Boden (die Erde mit uns als Beobachter darauf), der sich dreht.

Die Coriolis-Kraft kann analog zum 2. Newtonschen Axiom berechnet werden: FC = m∙aC = -2∙m∙(ω x v) . In dieser Gleichung entspricht ω der Drehwinkelgeschwindigkeit des Bezugsystems und v der Geschwindigkeit des sich darin bewegenden Objektes. Sie können die Coriolis-Kraft selbst erfahren, z.B. auf einer Drehscheibe (auf einem Spielplatz). Stellen Sie sich nach außen gerichtet auf die zu drehende Scheibe. Falls sich die Scheibe konstant dreht, können Sie ruhig stehen (angenommen, diese dreht nicht so schnell, dass Sie eine signifikante Fliehkraft erfahren). Machen Sie jetzt einen Schritt nach vorn, so werden Sie entgegen der Drehrichtung gedrückt, scheinbar ohne äußere Einwirkung.

Anlagen-/ Maschinenkennlinie

Kennlinien

Die Leistungsfähigkeit von Strömungsmaschinen wird seitens der Hersteller oft in Kennlinien Diagrammen dargestellt. Das nebenstehende Beispiel zeigt die sogenannten Drosselkurven eines Trommelläufer Ventilators für drei Betriebsdrehzahlen (grau) und eine Widerstand-/ Anlagenkennlinie (grün). Ventilatoren bewegen i.d.R. Luft. Umgangssprachlich hört man oft die Begriffe Lüfter oder Gebläse, diese sollten im technischen Sprachgebrauch jedoch nicht verwendet werden. Korrekt heißt es Ventilator oder Verdichterbei Druckverhältnissen > 1,3. Falls kein Gas, sondern eine Flüssigkeit gefördert wird, spricht man von einer Pumpedie Luftpumpe ist eine berühmte Ausnahme.

Der Schnittpunkt aus Drosselkurve und Anlagenwiderstandentspricht i.d.R. einer quadratischen Funktion ergibt den tatsächlichen Betriebspunkt, hier BP1 bei 1000 U/min und BP2 bei 2000 U/min. Idealerweise sollte die Maschine bzw. generell der Maschinentypz.B. mittels des Cordier Diagramms so gewählt / ausgelegt werden, dass diese im gewünschten BP einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweist. Jedes Watt, das nicht verbraucht wird, muss an keiner anderen Stelle wieder eingespart und die Gesamtbetriebskostenengl. Total Cost of Ownership (TCO) können u.U. signifikant gesenkt werden.

Bei genauerer Betrachtung des Beispiels fällt Ihnen auf, dass sich mit Verdoppelung der Drehzahl n der Volumenstrom Q ebenfalls verdoppelt und der Druck p vervierfacht. Dieses Verhalten ist im Allgemeinen zu beobachten und lässt sich mittels der Affinitätsgesetze beschreiben: Q ∼ n∙D3, p ∼ n2∙D2, P ∼ n3∙D5 . In diesem Beispiel verachtfacht sich somit die notwendige Leistung P, der Wirkungsgrad (nicht dargestellt) bleibt jedoch nahezu unverändert. Die Affinitätsgesetze können auch herangezogen werden, um die Leistungsfähigkeit unterschiedlicher Maschinengrößen (basierend auf dem Laufrad Außendurchmesser D) vorherzusagen. Bei doppelter Maschinengröße ändert sich Q achtfach, p vierfach und P 32-fach.

Messtechnik Grundlagen

Um die (vertraglich zugesicherten) Eigenschaften von Anlagen, Geräten, Maschinen usw. festzustellen, werden Messinstrumente, Prüfstände u.ä. verwendet. Bei Benutzung dieser Instrumente sind gewisse Aspekte zu berücksichtigen. Meist wird der Begriff Messunsicherheit als der wesentliche verwendet, wobei der Großteil der Anwender hier Wiederholbarkeit meint. Während bei neuen (kalibrierten) Messgeräten beide Begriffe sinngemäß das Gleiche bedeuten, ändert sich dies beispielsweise mit zunehmendem Alter / Gebrauch. Obwohl Sie immer identische Messungen durchführen, stellen Sie fest, dass sich Ihre Messergebnisse von den ursprünglichen Werten wegbewegen. Die Streuung der Messergebnisse (d.h. Wiederholbarkeit) bleibt zwar gleich, jedoch ist nun ein Offset vorhanden. Dies wird als Driften bezeichnet. Je nach Ausmaß muss das Messgerät dann rekalibriert werden oder Sie besitzen selbst das für Sie wesentliche Golden SampleGerät mit bekannten Eigenschaften o.ä. und können Ihr Messgerät damit justieren.

Die Messunsicherheit wird i.d.R. mit einem %-Wert angegeben, z.B. ± 1 %. Falls dieser Angabe kein weiterer Zusatz am Messgerät folgt, ist davon auszugehen, dass die Messunsicherheit auf den Skalen-Endwert bezogen ist (nicht Istwert). Dies führt dazu, dass Messungen von kleinen Größen in Relation zum Messbereich eine deutlich erhöhte Messunsicherheit aufweisen. Beispielsweise weist ein 100 A ± 1 % Strommessgerät bei einem Messtrom von 10 A bereits eine Messunsicherheit von 10 % auf. Relativ gesehen verzehnfacht sich die Messunsicherheit, wobei sie absolut gesehen konstant bleibt, hier ± 1 A. Sich dessen bewusst zu sein ist essentiell, um die Ergebnisse von verschiedenen Geräten an einem Prüfstand, einem Gerät an verschiedenen Prüfständen oder experimentellen vs. numerischen Ergebnissen beurteilen zu können. Auf der anderen Seite sollten Sie jedoch stutzig werden, falls Sie immer exakt das Gleiche messen.

In realen Maschinen werden normalerweise mehrere Messgrößen erfasst. Falls aus diesen Messgrößen weitere Kennwerte, Diagramme o.ä. abgeleitet werden sollen, ist die kombinierte Messunsicherheit k zu berücksichtigen. Nehmen Sie an, Sie ermitteln die Leistungsfähigkeit / Performance eines Ventilators. Die Messunsicherheit u bzgl. der Messung des Volumenstromes Q beträge 1 % und des Druckes p 0,5 % (jeweils vom Istwert). Die kombinierte Messunsicherheit beträgt somit k(Q,Δp) = √((u(Q))² + (u(Δp))²) ≈ 1,1 % . Falls Sie den Wirkungsgrad η bestimmen wollen, müssen Sie noch das Drehmoment M und die Drehzahl bzw. Drehwinkelgeschwindigkeit ω messen. Wir nehmen weiter an, die Messunsicherheit beträge jeweils 0,2 % für das Drehmoment und die Drehwinkelgeschwindigkeit (diesmal vom Endwert, d.h. 2 Nm bzw. 7000 U/min). Die kombinierte Messunsicherheit beträgt somit k(Q,η) = √((u(Q))² + (u(Δp))² + (u(M))² + (u(ω))²) ≈ 7,6...1,3 % . Die hydraulische Leistung lässt sich somit über den gesamten Betriebsbereich relativ genau bestimmen. Die mechanische Leistung (und somit auch der Wirkungsgrad) weist jedoch gerade zu kleinen Leistungen hin eine deutlich erhöhte Unsicherheit auf. Bei Messungen, die z.B. der Ermittlung eines Energie Effizienz Index (EEI) dienen, ist dies kritisch zu bewerten.

Es lohnt sich somit immer einen Blick ins Datenblatt zu werfen, bevor man Messtechnik anschafft bzw. nutzt. Es empfiehlt sich ebenfalls Ihre Auswertetools (z.B. Excel) kritsch zu betrachten und ggf. Formatierungsänderungen durchzuführen. Falls Sie Messgeräte mit einstelliger prozentualer Genauigkeit verwenden, ist es nicht sinnvoll mehr als zwei Nachkommastellen zu erfassen (auch wenn das Messgerät deutlich mehr ausgibt). Dies reduziert das sogenannte Augenpulver beim Betrachten der Ergebnisse und verbessert die Auswertbarkeit / Übersichtlichkeit deutlich.

Numerische Grundlagen

CAD-Modell → CFD-Modell

CAD-to-CFD

Um Strömungssimulationen durchführen zu können, ist es notwendig ein Fluidvolumen auf Basis des CAD-Modells abzuleiten. Für den Fall eines Ventilators, bei dem die Durchströmung relevant ist, werden alle „im Inneren liegenden“ Flächen zwischen Einlass und Auslass verwendet. Da im CAD-Modell keine Ein-/ Auslassflächen vorhanden sind, sind diese entsprechend zu modellieren (z.B. der Einlass mittels Hemisphäre). Kleine Spalte (z.B. um die Welle herum) müssen geschlossen werden, damit das Modell „dicht“ ist. Somit entsteht ein geschlossenes Volumen, das eigentliche CFD-Modell. Für das Beispiel des Ventilators, muss das CFD-Modell noch unterteiltin sogenannte Regionen bzw. Domänen werden, da dieses aus rotierenden und feststehenden Bereichen besteht. Für Parameterstudien, sehr große Modelle oder um Symmetrien auszunutzen, ist das CFD-Modell ebenfalls (sinnvoll) zu segmentieren. Dadurch sinkt unterm Strich der Zeitaufwand bzgl. der VernetzungRäumliche Diskretisierung. Durch entsprechende Sorgfalt an dieser Stelle können unnötige Kopfschmerzen im nachfolgenden Schritt vermieden werden.

Numerisches Gitter (Räumliche Diskretisierung)

Numerisches Gitter

Das numerische Gitter entsteht in dem das Fluidvolumen in viele kleine Kontrollvolumen (bis zu mehrere Millionen) unterteilt wird. Für jedes dieser Kontrollvolumen werden während der Berechnung die Massen-, Impuls- und (bei Bedarf) Energieerhaltungsgleichungen iterativ gelöst. Heutzutage werden numerische Gitter mittels Tetra-, Prismen-, Hexa-, oder Polyeder-Zellen generiert. Obwohl die (halb)automatischen Vernetzer in den letzten Jahren immer leistungsfähiger geworden sind, sind deren Ergebnisse immer (im Detail) kritisch zu betrachten. Nach wie vor sind es die Vorgaben / Einstellungen des erfahrenen Anwenders, die zu qualitativ hochwertigen Gittern führen. Die Gitterqualität kann mittels geeigneter Kontrollgrößen überprüft werden, z. B. Kantenlängenverhältnisseengl.: Aspect Ratio, Größenänderungenengl.: Volume Change von / zu oder (kleinste) Winkelengl.: Orthogonal Angle innerhalb der Zellen.

Um wandnahe Strömungen berechnen (und nicht nur modellieren) zu können, ist eine entsprechende, wandnahe Gitterauflösung notwendig. Die Güte dieser sogenannten Grenzschichtauflösung wird mittels des dimensionslosen Wandabstandes y+ beschrieben. In welcher Größenordnung sich der y+ Wert bewegen sollte, richtet sich nach der verwendeten Turbulenzmodellierung. Für die standardmäßig in der Industrie verwendeten SSTengl.: Shear Stress Transport- bzw. realizable-k-ε-Modelle sollte der Wert unter zwei liegen. Logischerweise ist für unterschiedliche Betriebspunkte (Strömungsgeschwindigkeiten) auch der y+ Wert (trotz identischem Gitter) verschieden. Die nebenstehende Abbildung zeigt den Schnitt durch ein typisches numerisches Gitter (Tetraeder inkl. Prismen-Grenzschicht, Laufraddurchmesser 90 mm).

Für Struktursimulationen wird „lediglich“ das eigentliche CAD-Modell vernetzt. Ein Punkt, weshalb der Aufwand gegenüber Strömungssimulationen deutlich geringer ist. Auch bedarf es hier keiner wandnahen Auflösung oder Turbulenzmodellierung.

Stationäre und transiente Berechnungen (Simulationen)

Für industrielle Anwendungen sollten (nach Möglichkeit) stets stationärezeitlich unabhängige Berechnungen genutzt werden. Hintergrund ist, dass transientezeitlich abhängige Berechnungen (im Schnitt) 20 malURANS vs. RANS länger dauern, ohne signifikante Mehrinformationen zu generieren. Für den Fall einer Pumpen oder Ventilator Berechnung ist es i. d. R. nicht relevant zu wissen, wie sich der Druckaufbau mit jeder Millisekunde ändert (siehe nebenstehende Animation). Wenn diese Maschine experimentell untersucht wird, erhalten Sie am Ende i. d. R. auch nur einen (mittleren) Wert für Druckaufbau, Antriebsleistung und Wirkungsgrad.

Bei stationär berechneten, rotierenden Maschinen werden die Schaufelkräfte mittels der Coriolis-Kräfte modelliert. Wenn die Schaufelanzahl hoch genugWie hoch hängt vom jeweiligen Fall ab ist, stellt dies auch kein Problem dar. Anders verhält es sich jedoch, wenn die Schaufelanzahl zu niedrig ist. Im Extremfall einer Abwasserpumpe mit nur einem SchaufelkanalDies minimiert das Verblockungsrisiko sind die Berechnungsergebnisse sehr stark von der Laufradposition abhängig. In solchen Fällen müssen Sie wohl transient berechnen. Oder Sie versuchen folgenden „Trick“: Sie berechnen mehrere Laufradpositionen stationär und mitteln diese Ergebnisse anschließend. Oftmals erhalten Sie dadurch die gewünschten Informationen und sparen im Vergleich zu transienten Berechnungen nach wie vor Zeit.

Transiente Berechnungen sind daher eher im Bereich der Forschung zu finden, wenn z. B. der Einfluss zeitlich begrenzter Phänomene untersucht werden soll. Hier werden auch deutlich aufwendigere Turbulenzmodellierungen (z. B. LESengl.: Large Eddy Simulation, DESengl.: Detached Eddy Simulation, DNSengl.: Direct Numerical Simulation) verwendet, was den Zeitbedarf nochmals deutlich erhöht. Instationäre EffekteInstabilitäten,
z. B. hohe Druckschwankungen
bei stationären Berechnungen lassen sich bereits während der Berechnung auf Basis der Residuen und geeigneter Monitore feststellen. Falls (unerwünschte) instationäre Effekte bei Ihrem Produkt auftreten, sollte die Ursache hierfür ermittelt und z. B. mit einer Geometrieanpassung entgegengesteuert werden.

„Besondere“ Berechnungen

Bei „normalen“ Berechnungen ist das gesamte CFD-Modell mit lediglich einem Fluid (z.B. Luft oder Wasser) gefüllt. VOFengl.: Volume of Fluids Berechnungen ermöglichen die Verwendung mehrerer Fluide innerhalb eines CFD-Modells. So lässt sich z.B. das Einströmverhalten von Wasser in einen mit Luft gefüllten Raum berechnen (nebenstehendes Beispiel). Mittels VOF lässt sich ebenfalls das Verhalten von Festkörpernengl.: Solids innerhalb von Fluiden berechnen. Eine Anwendung wäre z.B. das Verhalten eines Schiffes auf dem Meer zu berechnen (zwei Fluide, ein Solid). Es versteht sich von selbst, dass VOF Berechnungen immer instationär sind.

Bei der FSIFluid Struktur Interaktion werden Strömungs- und Struktursimulationen gekoppelt und die Wechselwirkung zwischen Fluiden und Solids berechnet. Dies bedeutet, dass z.B. die aus der Strömung resultierenden Kräfte auf das FEMFinite Elemente Methode-Modell übertragen werden. Mittels dieser Kräfte wird die Spannungsverteilung innerhalb und die Verformung des Bauteils berechnet. Die berechnete Verformung (Geometrieänderung) wird in das CFD-Modell zurückgeführt und die Strömung darauf basierend neu berechnet.