Wie gelingt es Strömungen zu simulieren?

CFD - In den richtigen Händen ein machtvolles Entwicklungswerkzeug

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Die Bewegung von Fluiden ist schwierig darzustellen und zu begreifen, da selbst kleinste Kräfte große fortschreitende Formänderungen bewirken. Hinzu kommt ein stark instationäres, scheinbar chaotisches Verhalten, das sich in rapiden Schwankungsbewegungen der Fluidteilchen (Turbulenz) äußert. Prinzipiell lässt sich für jedes dieser Fluidteilchen eine Bewegungsgleichung nach der NEWTONschen Mechanik angeben. Dieser mikroskopische Modellansatz ist jedoch sehr rechenaufwendig und läuft regelrecht an der praktischen Nutzung vorbei. Für technische Anwendungen nimmt man das Fluid daher als Kontinuum an, d.h. man betrachtet die mikroskopisch gemittelten (makroskopischen) Eigenschaften des Fluids; die Fluidbewegung wird dann mittels der bereits im 19. Jahrhundert hergeleiteten NAVIER-STOKEschen Bewegungsgleichungen beschrieben. Diese fußen auf den klassischen Erhaltungssätzen der Physik für Masse, Impuls und Energie. Wegen ihrer schwierigen mathematischen Natur ist es bisher noch nicht gelungen auf analytischem Wege eine Lösung anzugeben. Ergo ist man auf den Einsatz von rechnergestützten Verfahren angewiesen, bei denen die Bewegungsgleichungen an diskreten Punkten im Strömungsraum durch mathematische Operationen in numerisch lösbare Gleichungssysteme überführt werden, welche sich iterativ mit einem Computer lösen lassen.

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