Numerische Strömungsmechanik

Modellieren Sie digitale Flüssigkeiten in Ihrem CAD-System und sparen Sie Kosten für den Bau physischer Prototypen


Die numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) ist eine CAD-Technik (Computer-Aided Design, computergestützte Konstruktion), die Simulationen und Analysen einsetzt, um das Verhalten von Flüssigkeiten oder Gasen in sowie in der Umgebung eines Produkts zu berechnen. CFD ist eine multiphysikalische Lösung, da sie verschiedene physikalische Prinzipien einbezieht, darunter die Strömungsdynamik, die Thermodynamik und den Impulserhaltungssatz.

Ähnlich wie bei der Finite-Element-Analyse (FEA) wird bei CFD das Flüssigkeitsvolumen in kleinere Elemente unterteilt, die dann in einer Matrix organisiert werden. CFD wird für verschiedene Zwecke verwendet, z.B. für Wettervorhersagen, in der Aerodynamik und für visuelle Effekte.

Warum ist numerische Strömungsmechanik wichtig?

Die numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) ist aus mehreren wichtigen Gründen von überragender Bedeutung. Sie ermöglicht CAD-Benutzern, nicht wahrnehmbare Elemente innerhalb ihrer Konstruktionen zu visualisieren und zu analysieren. Dazu gehören Faktoren wie Luft, das Innere von Blasen, Wärme, Stickstoff, Sauerstoff, Druck, Kräfte und Wasser.

Durch die Charakterisierung dieser immateriellen Elemente als "digitale Flüssigkeiten" und ihre Einbeziehung in CAD-Systeme können Unternehmen erhebliche Kosteneinsparungen bei der Erstellung von physischen Prototypen erzielen.

Zur Erleichterung der Modellierung digitaler Flüssigkeiten, sei es innerhalb des internen Volumens, des externen Volumens oder einer Kombination aus beidem, ist die Integration eines Extraktionstools in das CAD-System entscheidend. PTC bietet zwei unverzichtbare Lösungen für diesen Zweck an, nämlich Creo Flow Analysis und Creo Simulate Live.

Creo Simulation Live Advanced: Flüssigkeitsfluss-Simulation

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Mit der Flüssigkeitsfluss-Simulation können Sie die Interaktion Ihrer Konstruktion mit der Flüssigkeit bewerten und mit dem Echtzeit-Feedback der numerischen Strömungsmechanik innerhalb Ihrer CAD-Instanz schneller iterieren.

Da dieses Feedback vollständig in die Modellierungsumgebung integriert ist, muss nichts mehr hin- und hergeschickt werden. Bei einer Änderung am Entwurf erhalten Sie in Echtzeit Hinweise zu Ihren Entscheidungen. So können Sie schnell beurteilen, ob Sie in die richtige Richtung gehen oder ob Sie zur nächsten Iteration übergehen sollten, damit Sie großartige Produkte schneller auf den Markt bringen können.

Simulation Live Advanced kennenlernen

Funktionen einer Software für die numerische Strömungsmechanik

Nutzen Sie mit Creo Simulation Live Advanced eine Echtzeitsimulation der numerischen Strömungsmechanik.

Nutzen Sie mit Creo Simulation Live Advanced eine Echtzeitsimulation der numerischen Strömungsmechanik.

Erstellung einer Flüssigkeitsdomäne

Die Erstellung von Domänen in Creo Simulation Live Advanced umfasst die Definition des Raums für die Flüssigkeitsströmungsanalyse, die Festlegung von Umgebungen und die Angabe von Flüssigkeitseigenschaften, die für die Simulation und Optimierung der Leistung eines Produkts entscheidend sind.

Externe Strömungen

In Creo Simulation Live Advanced konzentriert sich die externe Strömungsanalyse auf die Simulation der Flüssigkeitsdynamik um ein Produkt herum. Sie ist entscheidend für das Verständnis der Aerodynamik, die Optimierung von Konstruktionen und die Verbesserung der Produktleistung.

Interne Strömungen

Die interne Strömungsanalyse in Creo Simulation Live Advanced modelliert das Flüssigkeitsverhalten innerhalb eines Produkts oder Systems. Dieser Prozess hilft dabei, Konstruktionen zu optimieren, einen effizienten Flüssigkeitstransport zu gewährleisten und die Gesamtleistung zu verbessern.

Ergebnisanzeige und interaktive Taster

Die Ergebnisanzeige und die interaktiven Sonden in Creo Simulation Live Advanced bieten ein visuelles Feedback in Echtzeit und eine Datenextraktion. So können Ingenieure Konstruktionen schnell bewerten und verbessern, um eine bessere Produktleistung zu erzielen.

Flüssigkeitsfluss- und Temperatursimulationen

Die Flüssigkeitsfluss- und Temperatursimulationen in Creo Simulation Live Advanced versetzen Ingenieure in die Lage, Produkte zu analysieren und zu optimieren, indem sie vorhersagen, wie Flüssigkeiten und Temperaturen innerhalb verschiedener Konstruktionsszenarien interagieren.

Entdecken Sie Creo Simulation Live Advanced

Strömungslinien, Schnittebenen, Partikel und Richtungsfelder in Creo Simulation Live Advanced bieten wertvolle Visualisierungstools zum Verständnis und zur Analyse von Flüssigkeitsströmungen und helfen bei der Optimierung von Konstruktionen für eine verbesserte Produktleistung.

Allgemeiner Prozess für CFD

Die numerische Strömungsmechanik kann in den folgenden Schritten ausgeführt werden:

Start mit dem Modell

Bevor Sie die CFD-Simulationsumgebung nutzen, erstellen Sie das zu analysierende 3D-CAD-Teil oder die CAD-Baugruppe. Die Geometrie kann direkt in der CAD-Software erstellt oder importiert werden.

Definieren der Flüssigkeitsdomäne

Die Flüssigkeit oder das Gas in der Simulation kann entweder intern sein, wie z.B. Wasser, das durch ein Rohrleitungssystem fließt, oder extern, wie z.B. Luft, die über die Außenflächen eines Fahrzeugs strömt. Definieren Sie den Volumenbereich, und wenden Sie Materialeigenschaften auf die Flüssigkeit an, einschließlich Dichte, Viskosität, Koeffizient der thermischen Ausdehnung, spezifische Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit.

Strukturmechanische Randbedingungen schaffen

Diese repräsentieren die Bewegung von Flüssigkeiten am Einlass und Auslass des Analysemodells und können durch Strömungsgeschwindigkeit, Einlass- und Auslassdruck und Massenstrom definiert werden. Bei der internen Strömung gehören der Dralleinlass (Geschwindigkeit mit normalen und radialen Komponenten), die Rotationswand zur Simulation beweglicher Komponenten und die Schwerkraft zu den zusätzlichen Randbedingungen.

Auch vorgegebene Temperaturen können als Randbedingung verwendet werden. Thermische Belastungen können als Wärmefluss, Wärmestrom, Konvektion und Konvektionsstrahlung definiert werden.

Analyse durchführen

Die CFD-Studie kann entweder transient ausgeführt werden, um die Auswirkungen der Strömung und Temperatur als zeitabhängige Funktion darzustellen, oder in einem stabilen Zustand, um die Ergebnisse im Gleichgewichtszustand darzustellen.

Ergebnisse evaluieren

Wie bereits erwähnt, kann eine Vielzahl von Größen im Modell grafisch dargestellt werden, um ein Verständnis für das Systemverhalten zu vermitteln.

System optimieren

Die CFD-Analyse wird in Echtzeit mit den Änderungen an Ihrem Modell aktualisiert und liefert ein sofortiges Feedback zur Verbesserung Ihres Modells in seiner Betriebsumgebung.

Anwendungen der numerischen Strömungsmechanik

Nicht komprimierbare und komprimierbare Strömungen

Die Anwendungen der numerischen Strömungsmechanik umfassen die Analyse nicht komprimierbarer und komprimierbarer Strömungen. Sie helfen dabei, das Verhalten von Flüssigkeiten in verschiedenen Szenarien zu verstehen und zu optimieren, von der Aerodynamik von Flugzeugen bis zur Konstruktion von HLK-Systemen.

Laminare und turbulente Strömung

Anwendungen der numerischen Strömungsmechanik untersuchen sowohl laminare als auch turbulente Strömungen, die für die Konstruktion effizienter Transportsysteme, die Energieerzeugung und die Luftfahrt unerlässlich sind und die Leistung und Sicherheit von Produkten verbessern.

Massen- und Wärmeströmung

Analysen von Massen- und Wärmeströmungen helfen bei der Optimierung von Systemen im Zusammenhang mit der Wärmeübertragung, chemischen Prozessen und der Umwelttechnik und erleichtern die effiziente Konstruktion von Produkten und die Nutzung von Ressourcen.

Erweiterte numerische Strömungsmechanik: Creo Flow Analysis

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Creo Flow Analysis (CFA) ist ein Tool für die numerische Strömungsmechanik (CFD), mit dem Strömungsflüsse einfach simuliert werden können. Dies hilft, die Leistung eines Systems oder Produkts mit internem oder externem Strömungsfluss und Wärmeübertragung vorherzusagen. Die Analyse wird durch einen Validierungs- und Konstruktionsprozess erweitert, ohne dass umfangreiche CFD-Erfahrungen nötig sind. Die Ergebnisse der Simulation werden verwendet, um die Leistung des Systems im Detail zu untersuchen und die Konstruktion zu ändern.

Datenblatt lesen

Funktionen von Creo Flow Analysis

Es gibt drei Pakete von Creo Flow Analysis. Die folgenden Funktionen sind in Creo Flow Analysis Basic, Creo Flow Analysis Advanced und Creo Flow Analysis Premium verfügbar:

  • Interne und externe Strömungen berechnen
  • Strömungsergebnisse animieren
  • Strömung simulieren
  • Wärmeübertragung
  • Turbulenzen
  • Parallele Simulation

Funktionen, die nur in Creo Flow Analysis Advanced und Creo Flow Analysis Premium verfügbar sind:

  • Partikel: Simulation einzelner Partikel im Flusskontext
  • Strahlung: Wärmeübertragung aufgrund von elektromagnetischen Wellen
  • Arten: Simulation der Mischung von Flüssigkeiten mit ähnlicher Dichte
  • Bewegliche/gleitende Netzgenerierung: Simulation der Bewegung einzelner Komponenten einer Flussanalyse

Funktionen, die nur in Creo Flow Analysis Premium verfügbar sind:

  • Kavitation: Simulation der Kompressionsfähigkeit von Dampf, freien Gasen und Flüssigkeiten (Blasen)
  • Multiphase: Gleichzeitige Simulation von Gas und Flüssigkeit
  • Mehrfachkomponenten: Weitere Funktion zum Mischen mehrerer Gase mit unterschiedlicher Dichte
  • Dynamik: Simulation der Interaktion von Flüssigkeiten und Feststoffen

*Beziehen Sie sich für richtungsweisende Anleitungen in Echtzeit einschließlich numerischer Strömungsmechanik auf Creo Simulation Live (CSL).

Datenblatt ansehen

Fallstudien zu Simulationen

Sehen Sie sich diese Fallstudien an, und erfahren Sie im Detail, wie Unternehmen die Simulationslösungen von PTC verwenden.

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CUPRA optimiert die Konstruktion und Fertigung

Lesen Sie in unserer Fallstudie, wie CUPRA mit PTC Creo die Konstruktion und Fertigung von Fahrzeugkomponenten optimiert.

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Hill Helicopters entwirft individuelle Helikopter

Optisch beeindruckendes Design trifft bei Hill Helicopters in einem Start-up für ultimative Lifestyle-Produkte auf erstklassige Leistung.

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Aktuelle Fortschritte in der CFD-Technologie

Traditionell war CFD die Domäne von hochqualifizierten Spezialisten. Die jüngsten Fortschritte versetzen Konstrukteure und Ingenieure jedoch in die Lage, CFD-Simulationen selbständig durchzuführen. Was früher Stunden gedauert hat, dauert heute nur noch Minuten oder Sekunden, und bietet Konstrukteuren eine Echtzeitunterstützung.

Häufig gestellte Fragen (FAQs)

Worin liegt der Unterschied zwischen CAD und CFD?

CAD (Computer-Aided Design, computergestützte Konstruktion) und CFD (Computational Fluid Dynamics, numerische Strömungsmechanik) sind unterschiedliche, aber doch miteinander verwandte Tools, die in Konstruktionsprozessen verwendet werden. CAD konzentriert sich auf die Erstellung detaillierter, digitaler 2D- oder 3D-Darstellungen physischer Objekte und ermöglicht Ingenieuren die Visualisierung, Konstruktion und Erstellung von Prototypen von Produkten, Strukturen oder Systemen. CAD befasst sich in erster Linie mit Geometrie, Abmessungen und räumlichen Beziehungen.

CFD hingegen befasst sich mit der Simulation und Analyse des Verhaltens von Fluiden, wie z.B. Gasen oder Flüssigkeiten, innerhalb oder in der Umgebung dieser CAD-Objekte. CFD hilft bei der Vorhersage von Flüssigkeitsströmung, Temperaturverteilung, Druck und anderen Parametern. Während CAD die Konstruktion erstellt, bewertet CFD deren Leistung und optimiert Aspekte wie Aerodynamik, Wärmeübertragung und Flüssigkeitstransport. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass CAD bei der Erstellung von Konstruktionen hilft, während CFD sich auf die Bewertung der Interaktion zwischen konstruierten Systemen und Flüssigkeiten konzentriert.

Wozu wird numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) genutzt?

Die numerische Strömungsmechanik (CFD) ist ein vielseitiges Tool, das in verschiedenen Branchen und Anwendungen genutzt wird. Es wird in erster Linie für die Analyse und Simulation des Verhaltens von Fluiden, einschließlich Gasen und Flüssigkeiten, verwendet. Zu den wichtigsten Anwendungen von CFD gehören die Aerodynamik in der Konstruktion im Bereich Luft- und Raumfahrt und Automotive, die Optimierung von HLK-Systemen zur Steigerung der Energieeffizienz und die Verbesserung der Leistung von Strömungsaggregaten wie Pumpen und Turbinen.

CFD hilft in der Pharmaindustrie und der Biomedizin bei der Analyse der Wirkung von Medikamenten und der Simulation des Blutflusses. CFD spielt eine wichtige Rolle bei Umweltstudien, bei der Bewertung der Ausbreitung von Schadstoffen und der natürlichen Wasserströmung. Die Wettervorhersage stützt sich auf CFD, um atmosphärische Bedingungen zu modellieren. Darüber hinaus spielt CFD eine wichtige Rolle bei industriellen Prozessen, z.B. bei der Optimierung der Verbrennung bei der Energieerzeugung und bei der Beurteilung der Fluiddynamik in der Chemietechnik.

Welche Formeln nutzt CFD?

Masseenerhaltungssatz: Kontinuitätsgleichung

Impulserhaltungssatz: Newtons zweites Gesetz

Energieerhaltung: Erster Hauptsatz der Thermodynamik oder Energiegleichung

Kann CFD Ihnen helfen?

CFD kann in einer Vielzahl von Branchen und Anwendungen von großem Nutzen sein. Ob Sie Ingenieur, Wissenschaftler oder Konstrukteur sind, CFD liefert wertvolle Insights über das Verhalten von Fluiden und bietet Lösungen für komplexe Probleme. Es hilft bei der Optimierung von Konstruktionen für eine verbesserte Leistung, reduziert den Bedarf an kostspieligen physischen Prototypen und beschleunigt die Produktentwicklung. CFD hilft dabei, Luftströmungen, Wärmeübertragung und Druckverteilung zu verstehen, was in Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Automotive, HLK und Strömungsaggregate entscheidend ist. Es spielt außerdem eine wichtige Rolle in der Medizin- und Umweltforschung, wo es Insights über die Wirkung von Medikamenten, den Blutfluss und die Verteilung von Schadstoffen liefert. Im Wesentlichen ist CFD ein leistungsstarkes Tool zur Problemlösung und Innovation in verschiedenen Bereichen.

Geschichte der numerischen Strömungsmechanik

Die numerische Strömungsmechanik (CFD) basiert auf den Navier-Stokes-Gleichungen, die die Grundlage für die Modellierung von einphasigen Flüssigkeitsströmungen bilden. Vereinfachungen führten zu den Euler-Gleichungen und den vollständigen Potentialgleichungen, indem Bedingungen aus den Bereichen Viskosität und Wirbelstärke eliminiert wurden. Es entstanden linearisierte Potentialgleichungen für Unter- und Überschallströmungen. Frühe 2D-Methoden, wie z.B. die Strömungstransformationen um Zylinder und Tragflächen, wurden in den 1930er-Jahren entwickelt. Die auf endlichen Differenzen basierenden Berechnungen von Lewis Fry Richardson und sein Buch "Weather Prediction by Numerical Process" legten den Grundstein für CFD. CFD-Berechnungen aus den 1940er-Jahren, die mithilfe von ENIAC durchgeführt wurden, folgten den Techniken von Richardson und prägten die Entwicklung des Fachgebiets.