[ CFD Strömungssimulation ]

Computational Fluid Dynamics (CFD)

Die CFD Strömungssimulation veranschaulicht das Strömungsverhalten von fluiden Medien, wie Gasen und Flüssigkeiten sowie deren gegenseitige Beeinflussung.

Die TEchnologie

CFD Simulationen haben das Ziel, durch Verwendung mathematisch-numerischer Methoden komplexe strömungsmechanische Probleme am Computer zu lösen. Auf Basis eines virtuellen Modells eines Objekts oder einer Anlage und Verwendung komplexer mathematischer Methoden (nichtlineare partielle Differentialgleichungs-Systeme,...) können mit Hilfe dieser Technologie Strömungen flüssiger oder gasförmiger Medien im Detail dargestellt, verstanden und optimiert werden. Die Simulationen können sowohl stationäre wie auch sich über die Zeit verändernde bzw. entwickelnde Strömungen erfassen. Ebenso können Wechselwirkungen mit anderen technisch relevanten Parametern, wie Druck- und Temperaturverteilungen, Wärme- und Stofftransport, etc. in die Modelle integriert und deren Auswirkungen simuliert werden.

Der Technologiefokus der CTR liegt auf dem Einsatz von CFD-Methoden zur Simulation und Optimierung bestehender wie auch der Unterstützung bei der Entwicklung neuer Anlagen. Dies umfasst anwendungsabhängig sowohl die Anpassung bzw. die Entwicklung geeigneter Modellergänzungen, z.B. zur Simulation von Multiphasen-Strömungen (z.B. zur Erfassung mitgeführter Feststoffpartikel in einem Flüssigkeits- oder Gasstrom), der Wirkung von strömenden Medien auf Anlagenbauteile (durch Wärmetransport, mechanische Belastung, Erosion, Kavitation, etc.) oder der Simulation chemischer Prozesse inklusive Erfassung chemischer Reaktionen unter Einbeziehung reaktionskinetischer Modelle. Zudem bietet die CTR als Kompetenzzentrum für Sensorik und Messtechnik im Sinne einer all-in-one-Lösung ein breite Palette an Methoden zur (Unterstützung der) Validierung der Simulationsergebnisse in der Praxis.

Nutzen und Benefit

Der wesentlichste Vorteil und Nutzen der Verwendung von CFD-Methoden ist, dass die numerische Strömungsmechanik eine rasche und kostengünstige Alternative zu Reihenversuchen darstellt. Zudem ermöglichen die Simulationsergebnisse, das Verhalten eines Systems im Detail zu visualisieren und damit besser zu verstehen – auch an Stellen und für Parameter, die bei einer praktischen Implementierung einer Beobachtung unzugänglich sind.

Anwendung

Das Leistungsangebot der CTR umfasst die gesamte Technologiekette der CFD-Simulation:

  • Problemdefinition
  • Erstellung bzw. Adaption der Geometriemodelle
  • Auswahl, Anpassung und ggf. Entwicklung (spezieller) Simulationsmodelle
  • Problemspezifische Visualisierung der Ergebnisse
  • Auswertung
  • messtechnischen Validierung

Entsprechend der vielfältigen Möglichkeiten ist der Einsatzbereich von CFD-Simulationen dabei sehr breit. Referenzprojekte beinhalten beispielsweise:

  • Laminar-Luft: Simulation der Strömungsverteilung HEPA-gefilterter Luft in einem Produktions-Bioreinraum; Entwicklungsziel war eine optimale Anordnung der Lufteinlässe und Absaugöffnungen um eine perfekt laminare Durchströmung des gesamten Arbeitsbereichs ohne – technisch aufwändige – Doppelbodenabsaugung zu erzielen
  • Ätzmedien-Diffuser: Simulation der Strömungsverteilung in einem Flüssigkeitsbad zur simultanen nasschemischen Ätzung von bis zur 50 Stk. 300 mm-Wafern. Ausgehend von Wasser wurde ein CFD-Modell erstellt, die Ergebnisse in einem speziellen Testaufbau validiert und in Folge das System für die – direkt nicht zugänglichen, weil chemisch hochgradig ätzenden – Zielmedien optimiert.
  • Gas-Schalldämpfer: Simulation der Druckentspannung einer Hochdruck-Erdgaspipeline über einen speziellen Ausblasschalldämpfer; neben den Strömungen wurden auch die resultierenden Temperaturverteilungen im Schalldämpfergehäuse, die Geräuschentwicklung durch strömende Gase und die Verdünnung des Erdgases (TÜV-anerkannte Methode zur Auslegung der erforderlichen Explosionsschutzzone) simuliert
  • Chemikalien-Emission: Simulation der Verteilung gasförmiger Stoffe für unterschiedliche Betriebszustände einer Großrohr-Produktionsanlage und des Verhaltens im Störungsfall (Entwicklung einer Gefahrensituation über die Zeit)