CFD und Feldberechnung
Kurzfassung
Hochdiskretisierte Berechnung von Strömungen, Transportprozessen und Reaktionen
Im Auftrag unserer Kunden bilden wir physikalische Zusammenhänge mit Methoden und Werkzeugen der hochdiskretisierten Feldberechnung und CFD ab. Im Pre-Processing bereiten wir Geometrien auf und vernetzen diese. Wir wählen geeignete Modellierungs- und Lösungsmethoden aus, führen parallelisierte Berechnungen durch und visualisieren die Ergebnisse aussagekräftig. Bei Bedarf automatisieren wir diese Arbeitsschritte und führen Modellreduktionen durch.
Anwendungsgebiete
Strömungen, Transportvorgänge und Reaktionen
Unser Leistungsspektrum umfasst unter anderem die Simulation von ein- und mehrphasigen Strömungsprozessen. Ebenso stellt die Wärmeübertragung in und zwischen Festkörpern sowie zwischen Festkörpern und Fluiden eines unserer zentralen Arbeitsfelder dar. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Modellierung der örtlichen elektrischen Stromdichte sowie der damit verbundenen Joule´schen Wärmeproduktion in Volumen und Kontaktstellen von Festkörpern. Auf Wunsch ergänzen wir die für unsere Kunden erstellten Modelle um chemische Reaktionen, beispielsweise auf Basis eines Arrhenius-Ansatzes.
Typische Anwendungen der CFD und Feldberechnung sind:
- Druckverlustberechnung in Rohren und Leitungen
- Durchströmung von Kühlsystemen für Leistungselektronik
- Elektrisch-thermische Simulation von Batteriezellen und -systemen
- Thermisches Durchgehen von Batteriezellen
- Thermische Propagation in Batteriesystemen
Abbildung 1: Modell eines Wärmeübertragers mit Stromlinien des Geschwindigkeitsfeldes
Werkzeuge
Vernetzung, Berechnung, Visualisierung und Interoperabilität
Für das Pre-Processing zur Geometrieaufbereitung setzen wir die Software Ansa ein. Die Vernetzung erfolgt entweder auch in Ansa oder in einer zum Löser passenden Umgebung. Als Löser setzen wir Star CCM+, verschiedene Ansys-Produkte oder OpenFOAM ein. Das Post-Processing erfolgt wiederum in der jeweiligen Löser-Umgebung oder in Python.
Je nach Bedarf binden wir Peripherie-Modelle in CFD-Simulationen ein. Dafür verwenden wir entweder FMUs (CoSim) oder wir koppeln unsere Löser mit anderen Simulationsumgebungen mittels TISC. Die von uns eingesetzten Löser stellen eigene Stoffdatenbibliotheken bereit. Je nach Anforderung können wir zusätzlich unser Softwarepaket TILMedia einbinden, das eine enorme Auswahl an Medien zur Abbildung von thermophysikalischen Eigenschaften bietet.
Modellreduktion
Beschleunigung der Feldberechnung und Modellexport für Systemsimulation
Wir nutzen unterschiedliche Verfahren der Modellreduktion (Maschinelles Lernen). Dafür werden die hochaufgelösten CFD-Modelle in solche mit deutlich reduziertem Zustandsraum überführt, wobei die für den Nutzer interessanten Informationen erhalten bleiben. Dabei ist es auch möglich, die entsprechenden Zustände des hochaufgelösten Modells zu rekonstruieren, so dass auch bei kurzer Rechenzeit eine detaillierte Beschreibung möglich ist.
Die reduzierten Modelle können zum einen für eine Beschleunigung von CFD-Simulationen eingesetzt werden, indem beispielsweise eine sehr gute Näherung des Ergebnisses als Initialisierung einer Berechnung verwendet wird. Zum anderen lassen sich reduzierte Modelle für Systemsimulationen bereitstellen, zum Beispiel zur Verwendung in Modelica oder Simulink (0D/1D-Methoden). Dadurch können Parameterstudien, Reglerauslegungen oder Systemoptimierungen sehr effizient durchgeführt bzw. ermöglicht werden.
Abbildung 2: Stromfadenlinien der Strömungsgeschwindigkeit und Kontur der Temperatur im Querschnitt des Wirbelrohres
Automatisierung
Verknüpfung von Werkzeugen und Definition von Arbeitsabläufen
Bei Bedarf automatisieren wir Prozesse von der Vernetzung über die Berechnung bis hin zur Auswertung und Dokumentation in PowerPoint. Dies erfolgt zumeist in Python bzw. Java unter Einsatz der APIs der verwendeten Softwareprodukte. Dadurch lassen sich beispielsweise Optimierungen hinsichtlich der Geometrie oder anderer Modelleigenschaften sehr effizient durchführen.
