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Hallo zusammen,

in meiner Diplomarbeit muss ich kurz Möglichkeit Strömungen mittels CFD Berechnungen zu visualisieren beschreiben.

Hab mal ein bisschen gegoogelt und bisher nur bei wikipedia eine Beschreibung gefunden. Was haltet ihr von eine solchen Beschreibung:

Die CFD (computational fluids dynamics) Berechnungen sind numerische Strömungs-simulationen. Strömungsmechanische Probleme werden näherungsweise mit numeri-schen Methoden versucht zu lösen. Hierzu kommen meistens Navier-Stokes-, Euler- oder Potentialgleichungen zum Einsatz.

Bei turbulenten Strömungen gibt es für die numerische Strömungssimulation noch viele offene Fragen: Entweder man verwendet sehr feine Rechengitter wie bei der direkten numerischen Simulation oder man verwendet mehr oder weniger empirische Turbu-lenzmodelle, bei denen neben numerischen Fehlern zusätzliche Modellierungsfehler auftreten. Einfache Probleme können auf Highend-PCs in Minuten gelöst werden, wäh-rend komplexe 3D-Probleme selbst auf Großrechnern teilweise kaum zu lösen sind

Fehlt irgendwas wichtiges? Wie genau sind die Simulationen? Funktionieren die Berechnungen nur in bestimmten Gebieten (nur bei 100% Flüssigkeit z.B.)

Bin Euch für ein paar Ideen und Meinungen dankbar!!

Beste Grüße

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Hallo,

bezüglich der Turbulenzmodellierung gibt es eigentlich 3 Ansätze:
Generell ist das Problem der Turbulenz, dass es sich hierbei um ein instationäres Verhalten auf kleine Orts- und Zeitskalen handelt. Die direkte numerische Simulation unter Auflösung dieser Effekte mit kleinen Zeitschritten und hochgelösten Gittern gelingt für technische Anwendungsfälle nicht, da der Rechenaufwand viel zu hoch ist. Dies wird bei moderaten Reynoldszahlen im wissenschaftlichen Bereich gemacht um z.B. den Umschlag von laminar in turbulente Strömungen zu erforschen und Turbulenzmodelle zu entwickeln (z.B. Entstehung vonr Turbulenz).
Der am weitesten verbreitete Ansatz ist die Navier-Stokes-Gleichungen zeitlich zu mitteln (Reynoldsschen Gleichungen) und für die zusätzlich entstehenden Terme, die aus instationären Effekten herrühren ein Modell zu implementieren. Dies kann z.B. der Prandtlsche Mischungsweg sein, in der Praxis haben sich jedoch die sogenannten turbulenten Wirbelviskositätsmodelle durchgesetzt. Man führt eine "scheinbare Viskosität" ein und beschreibt damit die "turbulenten Spannungen". Modelle, die das machen sind k-eps, RNG, etc. Wesen dieser Modelle ist, dass die instationäre Turbulenz über einen stationären Ansatz abgebildet wird.
Seit neuerem, im Zuge höherer Rechnerkapazitäten werden verstärkt instationäre Modelle eingesetzt, die zumindest mal die Grobstruktur der Turbulenz abbilden (LES/DES). Damit werden die großen, energiereichen (strömungsdomierenden) Wirbel instationär und räumlich abgebildet. Der Zerfall der Wirbel in kleine Wirbel wird über Modelle abgebildet, also nicht aufgelöst. Damit ist man schön näher an der direkten Simulation, aber um die ganze Wirbelkaskade abzubilden, reichen die derzeit verfügbaren Kapazitäten nicht und werden auch in absehbarer Zukunft für ein weites Spektrum technischer Anwendungsfälle nicht reichen.
Dann noch:
Die Simulationen können nur so genau sein, wie die Modelle die dahinter stehen, d.h. "die Genauigkeit" hängt meist von den physikalischen Effekten ab. Will man z.B. eine Ablösung der Strömung an einer gekrümmten Fläche (z.B. Tragflügel) oder einen laminar turbulenten Umschlag berechnen, ist das "exakt" meist nur mit aufwendingen Modellen möglich. Und eine schlechte Übereinstimmung ist zu erwarten, wenn das Modell nicht in der Lage ist den Effekt anzubilden. Hingegegen funktioniert die einfache Rohrströmung schon recht gut, nur interessiert sich leider kaum jemand dafür...

Hoffe das hilft zur Klärung,

Ulrich 
 

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Dr.-Ing. Ulrich Heck
ulrich_heck@dhcae.de
http://www.dhcae.de

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Hallo Ulrich,

vielen Dank für die schnelle Antwort. Das hat mir schon weitergeholfen. Habe mittlerweile auch mit unserer Berechnungsabteilung gesprochen um die restlichen Unklarheiten zu beseitigen.

Vielen Dank nochmal!

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