Was ist eine CFD-Simulation?
CFD-Simulation ist die Lösung hydrodynamischer Gleichungen auf einem Computer.
Sie ist eine Methode zur Klärung der Strömung verschiedener Materialien und der verschiedenen auftretenden Phänomene und wird bei der Konzeption und Entwicklung von Produkten und Geräten eingesetzt, indem verschiedene Strömungsphänomene am Computer nachgebildet werden. Die Herstellung von Prototypen und die Durchführung von Experimenten sind nicht erforderlich, sondern können am Computer simuliert werden, wodurch Zeit und Kosten gespart werden.
Außerdem können selbst komplexe Strömungsphänomene (z. B. Turbulenzen), die experimentell nur schwer zu analysieren sind, nachgebildet werden.
Anwendungen der CFD-Simulation
CFD-Simulation wird in verschiedenen Bereichen eingesetzt, die mit Flüssigkeiten zu tun haben. Bei der Konstruktion und Entwicklung von Automobilen und Flugzeugen muss beispielsweise der Luftwiderstand berücksichtigt werden, der durch CFD-Simulation nachgebildet werden muss.
Je nach Konstruktion kann dies erhebliche Auswirkungen auf das Fahr- und Flugverhalten haben und zu einer verbesserten Treibstoffeffizienz führen. Das Verständnis der Eigenschaften von Gasen und Flüssigkeiten, die in Rohren fließen, ist auch für verschiedene Infrastrukturen (Strom, Wasser, Gas) von grundlegender Bedeutung. Hier wird die CFD-Simulation zur Analyse von Fluiden eingesetzt.
Funktionsweise der CFD-Simulation
CFD steht für Computational Fluid Dynamics (numerische Strömungsmechanik).
Die CFD-Simulation hat sich in dem Maße weiterentwickelt, wie sich die Leistungsfähigkeit der Computer deutlich verbessert hat und die numerische Analyse von Strömungsphänomenen praktikabler geworden ist: Seit etwa 1970 hat sich der Einsatz von Supercomputern allmählich durchgesetzt und den Fortschritt der CFD-Technologie mit vorangetrieben.
Selbst Strömungsphänomene, die experimentell nur schwer zu analysieren sind, können durch numerische Simulation der Navier-Stokes-Gleichungen reproduziert werden. Die CFD-Simulation spielt eine besonders wichtige Rolle bei Turbulenzproblemen, die immer noch ungelöste Probleme darstellen und nicht klassisch analysiert werden können.
Bei Simulationen werden häufig vereinfachte physikalische Modelle zur Analyse der Flüssigkeitsbewegung verwendet, was zu Fehlern bei der tatsächlichen Strömung führt. Wenn für eine genauere Simulation ein detailliertes physikalisches Modell definiert wird, steigt die Menge der zu verarbeitenden Berechnungen, so dass hochspezialisierte Hard- und Software erforderlich ist.
In diesem Fall können Supercomputer eingesetzt werden, um die riesigen Mengen an arithmetischen und grafischen Berechnungen mit hoher Geschwindigkeit durchzuführen.