ANSYS CFD - Strömungsmechanik

Die in ANSYS CFD eingesetzten numerischen Lösungsverfahren zeichnen sich durch große Robustheit und effiziente Parallelisierung aus. Die gekoppelte Lösung von Druck- und Geschwindigkeiten zusammen mit dem algebraischen Multigrid Solver weist hervorragende Konvergenzeigenschaften auf, wobei der Rechaufwand nur linear mit der Modellgröße wächst. Die effiziente Parallelisierung ermöglicht die schnelle Lösung selbst sehr großer Modelle.

Die meisten technischen Strömungen sind turbulente Strömungen, wobei in der Simulation die Turbulenz durch so genannte Turbulenzmodelle approximiert werden muss. Die Qualität der Turbulenzmodelle hat dabei einen wesentlichen Einfuß auf die Genauigkeit der Berechnung und ist daher von sehr grundlegender Bedeutung für jede Strömungsberechnung.

Neben den Standardmodellen wie das k-e oder RNG-k-e-Turbulenzmodell steht bei ANSYS CFD das so genannte SST-Model (Shear Stress Transport) zur Verfügung, dass heutzutage der Industriestandard ist und vom ANSYS Entwicklungsteam (Dr. Florian Menter) entwickelt wurde. Dieses Modell stellt den derzeit besten Kompromiss zwischen Rechengenauigkeit und Rechenaufwand dar.

Zunehmend werden auch so genannte turbulenzauflösende Verfahren wie zum Beispiel die Large Eddy Simulation eingesetzt. Auch hier hat ANSYS mit des SAS (Scale Adaptive Simulation) ein besonders effiziente Verfahren entwickelt. Solche Verfahren werden zunehmend eingesetzt, wenn dreidimensionale transiente Turbulenzeffekte nicht durch einfachere Turbulenzmodelle abgebildet werden können oder auch wenn die turbulenten Details wie bei der Akustik eine Rolle spielen.

Die Anwendungen von ANSYS CFD in der Fluidtechnik reichen von der Berechnung von einfachen Ventilen bis hin zu der Simulation der komplexen Vorgänge in  Axialkolbenverdichtern. Ziel der Berechnungen sind meist der Druckverlust, der Massenstrom, die Strömungskräfte und im Falle eines Verdichters auch der Wirkungsgrad. Zur Berücksichtigung von Kavitationserscheinungen stehende entsprechende Kavitationsmodelle zur Verfügung.

Das Anwendungsspektrum reicht von der Berechnung großer industrieller Wärmetauscher bis zur Simulation der Kühlung kleiner elektronischer Bauteile. Die Wärmeleitung im Festkörper kann ebenso wie der Energietransfer durch Strahlung berücksichtigt werden. Von besonderem Interesse ist häufig auch die Ankopplung der Wärmeübertragungsberechnung an die Strukturmechanik zur Bestimmung der thermischen Spannungen in einem Bauteil, die in der ANSYS Workbench sehr leicht zu realisieren ist.

Rotierende Maschinen, wie Ventilatoren, Pumpen, Turbinen oder auch Wandlern stellen eines der wichtigsten Anwendungsgebiete von ANSYS CFD dar. ANSYS CFD stellt Verfahren zur stationären und transienten Berechnung solcher Maschinen zur Verfügung, die Strömungen können ein- und mehrphasig und es kann gleichzeitig die Wärmeübertragung im Festkörper berücksichtigt werden. Ziel solcher Simulationen ist meist die Berechnung des Wirkungsgrades, der Förderhöhe und ganz generell die strömungsmechanische Optimierung der Laufschaufeln, des Gehäuses und der Statoren. 

Zur effizienten Geometrieerstellung und strömungsgerechten Vernetzung stellt ANSYS spezielle Softwaremodule zur Verfügung, die den gesamten Arbeitsprozess der Simulation deutlich vereinfachen und beschleunigen.

Mehrphasenströmungen sind durch zahlreiche sehr komplexe physikalische Effekte gekennzeichnet, die in der Simulation durch verschiedene Mehrphasenmodelle angenähert werden. ANSYS CFD stellt Modelle für allgemeine Gas-Flüssigkeits-Strömungen, Feststoffpartikelströmungen, Tröpfchenströmungen und Blasenströmungen zur Verfügung. Dabei können Phasenübergänge wie Kondensation und Verdampfung berücksichtigt werden. Strömungen mit freien Oberflächen oder Kavitation sind häufig auftretende Sonderfälle der allgemeinen Gas-Flüssigkeits-Strömung für die es besonders effiziente Modelle gibt.

Mit ANSYS CFD können sowohl Gas- wie auch Feststoffverbrennungsprozesse simuliert werden. Neben der Verbrennung können chemischen Reaktionen mit frei definierbaren Reaktionsgleichen berechnet werden.

ANSYS bietet effiziente Lösungsverfahren sowohl für die uni- wie auch bi-direktionale Fluid-Struktur-Kopplung an, mit automatischer Steuerung des Kopplungsalgorithmus und der Lastinterpolation.

Bei der einseitigen Fluid-Struktur-Kopplung werden meist Drücke und Temperaturen mittels einer Strömungsberechnung ermittelt, die dann einmalig als Belastung an die Strukturmechanik übergeben. Typische Anwendung ist die Berechnung von Abgasanlagen oder Rohrleitungssegmenten.

Treten auf der Strukturseite große Verformungen auf, so müssen diese an die Strömungsberechnung zurückgegeben werden und die Strömung muss für die neue Strömungsgeometrie erneut berechnet werden. Klassische Anwendungsfälle sind die Strömung in Adern oder auch das Schließverhalten von Ventilen.