FloVENT. Optimierung von Luftströmungen per Simulation.

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1 FloVENT Optimierung von Luftströmungen per Simulation M e c h a n i c a l a n a l y s i s

2 Software zur 3D-Simulation von Luftströmungen Übersicht Seit 1988 gehört unsere Mechanical Analysis Division zu den Pionieren bei der Simulation von Luftströmungen in und um Gebäude mit Hilfe hochwertiger Analysesoftware für Planer. Daraus ist die leistungsfähige CFD-Software FloVENT hervorgegangen, die Luftströmungen, Wärmeübertragung und die Ausbreitung von Verunreinigungen in Innenräumen und in der Umgebung in 3D vorhersagt. Wozu eine Simulation der Luftströmungen? Unabhängig von der Komplexität der Luftströmungen in Ihrer Anwendung ermöglicht die Simulation ein besseres Verständnis mit Hilfe der Visualisierung und der 3D-Computeranimation. Als Ergebnis können Sie: die verschiedenen Faktoren und ihre Wechselwirkungen auf die Luftströmungen besser verstehen. die Berechnungen zum Luftvolumen und den Solltemperaturen optimieren und so enorme Einsparungen bei den Investitionen und Betriebskosten erreichen. FloVENTs schnelles und bedienerfreundliches Menüsystem ist eigens für Ingenieure ausgelegt, die mit der Planung und Optimierung von Heizungs-, Lüftungs- und Klimasystemen (HVAC) betraut sind. FloVENT kann für Gebäude aller Arten und Größen eingesetzt werden. Innenhöfe, Einkaufszentren und Bürogebäude Theater, Flughafenterminals, Logistikeinrichtungen und Lager Probleme bei den Luftströmungen oder Gefahren zuverlässig vorhersagen und ausschließen, bevor mit dem Bau oder der Renovierung begonnen wird. Probleme oder Gefahren bei Luftströmungen in und um vorhandene Gebäude wirksam angehen, um eine schnelle Lösung mit kürzesten Ausfallzeiten zu erreichen. den Zeit- und Kostenaufwand erheblich verringern und gleichzeitig den Wert der Tests und Messungen der Luftströmungen immens steigern. Telefonvermittlungen und Rechenzentren Fahrgastkomfort in Fahrzeugen Luftqualität und Kontrolle von Verunreinigungen in Labors, Forschungseinrichtungen, Krankenhäusern und Tiefgaragen. Die Simulation von Luftströmungen ermöglicht es den Ingenieuren, verschiedene Optionen in kürzester Zeit zu untersuchen. Das Ergebnis ist eine Konstruktion, die nicht auf Näherungen sondern einem professionellen Entwicklungsprozess beruht, bei der mehrere Optionen untersucht wurden, um die optimale Lösung auszuwählen. Dies spart Kapital und Betriebskosten, den Aufwand, der früher durch nachträgliche Korrekturen entstanden ist, sowie Zeit bei der Inbetriebnahme. Ob Sie sich für eine FloVENT-Lizenz zum Einsatz im eigenen Unternehmen entscheiden oder das FloVENT-Consulting von Mentor Graphics zur Simulation von Luftströmungen nutzen, Sie meistern auf jeden Fall alle täglichen Herausforderungen bei der Vorhersage von Luftbewegungen und thermischen Effekten, um eine optimale Kontaminierungskontrolle zu gewährleisten und die Betriebskosten zu senken - all dies zuverlässiger und produktiver als je zuvor. w w w. m e nto r. co m 2

3 Mit FloVENT können wir schon in den frühen Entwicklungsstadien eine Reihe von Szenarien untersuchen. Das hilft, Engpässe zu vermeiden und die technische Leistung zu verbessern. Ian Matthews, Ingenieur, Büro Happold 3

4 Erstellung der Modelle Wichtigste Merkmale CAD-ähnliche Zeichenoberfläche mit Mausbedienung und einfachen Zeichen- sowie Drag-and-Drop- Funktionen zur Erstellung und Bearbeitung der Geometrie Explorer-ähnlicher Projektmanager mit Drag-and-Drop Komplette Auswahl an SmartParts (intelligente Makros zur Erstellung von Modellen) SmartParts mit mehreren Ebenen (kompakte und detaillierte Darstellungen im gleichen Objekt) Strukturierte kartesische Zellenstruktur mit Möglichkeit zur Lokalisierung und Verschachtelung, um die Lösungszeiten zu verkürzen und verschiedene Maßstäbe zu ermöglichen Umfassende Kontrolle der Vorgaben für die Zellenstruktur für genau abgestufte, lokale und globale Verfeinerungen Objektbezogene Zellenstruktur, die die Erstellung des Modells und die Erzeugung der Zellen in einem Schritt zusammenfasst. SmartParts FloVENT enthält einen umfassenden Satz intelligenter Makros (SmartParts) zur Erstellung von Modellen, um eine Vielzahl verschiedener Konfigurationen bei der Simulation von Luftströmungen schnell und präzise nachzubilden. SmartParts sind verfügbar für: Quadratische Diffusoren Runde Diffusoren Wirbeldiffusoren Gitter/Lüftungsöffnungen Wärmetauscher CRAC-Einheiten Lüfter Räume Die SmartParts sind das Ergebnis einer 20jährigen Erfahrung der Mentor Graphics Mechanical Analysis Division bei der Simulation von Luftströmungen. Sie vereinfachen die Erstellung der Modelle, verkürzen die Rechenzeiten und verbessern die Genauigkeit. Integration in CAD FloVENT kann auch in CAD-Software integriert werden. Vorhandene Daten aus Creo Parametric, Autodesk Inventor, Solidworks und anderen CAD-Programmen sowie DXF-Dateien können problemlos übernommen werden. Zellenstruktur FloVENT arbeitet mit einer kartesischen Zellenstruktur. Dies ist die stabilste und numerisch effizienteste Form. Außerdem besteht die Möglichkeit, die Zellenstruktur an interessanten Stellen feiner zu gestalten, um die Genauigkeit zu erhöhen und die Rechenzeit niedrig zu halten. Die Zellenstruktur bei FloVENT wird durch die SmartParts bestimmt und als Teil der Erstellung des Modells erzeugt, wobei der Anwender Verfeinerungen vornehmen kann. Dieses intuitive, unkomplizierte Verfahren erlaubt es den Ingenieuren sich auf ihre Entwicklung statt auf die Analyse zu konzentrieren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Werkzeugen, bei denen die Erzeugung der Zellenstruktur sehr viel Zeit und Erfahrung erfordert, wird sie bei FloVENT nahezu augenblicklich und mit großer Zuverlässigkeit erstellt. Und schließlich ist FloVENT die einzige Analysesoftware, bei der die Zellenstruktur dem Modell zugewiesen wird und nicht nach jeder Änderung neu aufgebaut werden muss. Luftströmungen und Temperaturen in einem Rechenzentrum Die Modellierung der Luftströmungen bei Projekten, wo eine genaue Kontrolle der Temperatur und Luftgeschwindigkeit besonders wichtig war, hat Vertrauen geschaffen. Clinton Spiteri, Parsons Brinkerhoff 4

5 Belüftung und Temperaturverteilung in einem Rechenzentrum w w w. m e nto r. co m 5

6 Lösungsmodul und Optimierung Parametrische Analyse und Optimierung Die Erstellung der Modelle aus SmartParts und die kartesische Zellenstruktur ermöglichen bei einem FloVENT-Modell eine Optimierung mit Hilfe der Design of Experiments -Technologie. Design of Experiments (DoE) ist ein strukturiertes Verfahren zur Bestimmung der Beziehungen zwischen den verschiedenen Design-Parametern (z.b. Durchsatzrate des Diffusors, Anordnung der Lüftungsöffnungen usw.) und den Ergebnissen (Komfort- Indizes, Effizienz bei der Abführung von Verunreinigungen usw.). Die Implementierung des DoE in FloVENT untersucht die verschiedenen Möglichkeiten, indem sie Varianten des ursprünglichen Modells erzeugt und berechnet. Diese Technik liefert wichtige Informationen zur Empfindlichkeit der Ergebnisse gegenüber Änderungen der Designparameter und verringert die erforderliche Anzahl an Simulationsdurchgängen. Außerdem liefert sie die Grundlage für die leistungsfähigen Optimierungswerkzeuge nach der Response-Surface-Methode bzw. der sequentiellen Optimierung. Zur Lösung der DoE-Fälle kann der Anwender optional mehrere vernetzte Computer mit Hilfe der Volunteer -Lösungstechnologie einsetzen. FloVENT erweitert dieses Konzept, indem es sog. Response Surfaces für alle interessierenden Ergebnisse berechnet. Response Surfaces sind aus den DoE-Ergebnissen abgeleitete mathematische Gleichungen, mit deren Hilfe die Lösung an einer beliebigen Stelle im Lösungsraum augenblicklich berechnet werden kann. Der Anwender kann mit den konstruierten Response Surfaces über Echtzeit-2D- und 3D-Grafiken interagieren, in denen die Werte der Parameter mit Schiebereglern verändert werden können. Die mathematische Optimierung der vom Anwender definierten Kostenfunktion wird von den Response Surfaces Wichtigste Merkmale Gleichzeitige Berechnung der Wärmeübertragung durch Konvektion, Wärmeleitung und Wärmestrahlung Vollautomatische Berechnung der Wärmestrahlung und der Sichtfaktoren Automatische Randbedingungen der Sonneneinstrahlung Automatische Berücksichtigung der Erwärmung und Wärmeverluste durch Glasflächen Beendigung der Berechnung optional anhand der Konvergenz vom Anwender definierter Überwachungspunkte Berechnung mit mehreren verschiedenen Fluiden Simulation turbulenter oder laminarer Strömungen Definition der Variation der Transienten über linearen Anstieg, Leistungsanstieg, exponentiellen Anstieg, sinusförmige oder periodische Kurven bzw. importierte.csv-daten. ebenfalls unterstützt, wodurch die optimale Lösung ermittelt werden kann, ohne zusätzliche Fälle lösen zu müssen. Eine automatische sequentielle Optimierung der Kostenfunktion ist ebenfalls vorgesehen. Dieser auf Gradienten aufbauende Ansatz erzeugt und berechnet weitere Varianten des Ausgangsmodells, um die optimale Lösung zu bestimmen und zu bestätigen. Die sequentielle Optimierung verarbeitet Vorgaben (z.b. maximal zulässige Temperaturen, akzeptable Werte für den thermischen Komfortindex usw.) und berücksichtigt sie bei der vorgeschlagenen optimalen Konfiguration. Lösungsmodul Seit über 20 Jahren ist das Rechenmodul von FloVENT speziell für Anwendungen in den Bereichen Heizung, Lüftung und Klima (HVAC) ausgelegt. Dieses Lösungsmodul, das auf einem kartesischen Gittersystem aufbaut, liefert Ergebnisse mit höchster Genauigkeit bei der kürzesten Rechenzeit pro Gitterzelle. Ungleichmäßige Geometrien werden mit Hilfe der einzigartigen Localized Grid -Technik gelöst. Diese Technik ermöglicht angepasste, verschachtelte, nicht winkeltreue Übergänge des Gitters zwischen den verschiedenen Teilen des Lösungsbereichs. Die konjugierte Natur der Wärmeübertragung wird gleichzeitig mit einem vorkonditionierten Conjugate Residual Solver mit Hilfe einer Multi-Grid-Lösungstechnik mit flexiblen Zyklen berechnet. Pragmatische, einzigartige und genaue Kriterien für die Beendigung der Suche nach der Lösung liefern praktisch verwertbare Ergebnisse in angemessenen Zeiten und ohne akademischen Ballast. Transientenanalyse Die leistungsfähigen Funktionen zur Transientenanalyse in FloVENT erlauben auch die Vorhersage des Verhaltens der Transienten. So ist beispielsweise eine genaue Vorhersage der Ausbreitung von Rauch oder Verunreinigungen in Innenräumen und im Freien möglich. Verschiedene Szenarien können untersucht werden, in dem die Konzentration des Rauches oder Gases zeitabhängig verändert wird. Airsonett Airshower TM Air Purifie. Luftströmungen und Partikelkonzentration 6

7 Abbildungen mit freundlicher Genehmigung von Epsilon Ingenierie und SNCF Untersuchung des Komforts der Passagiere in der Kabine eines Flugzeugs w w w. m e nto r. co m 7 Luftströmungen in einem Reisezugwagen

8 Visualisierung Ergebnisse Wichtigste Merkmale Partikelanimation und Strömungslinien zur Visualisierung komplexer 3D-Luftströmungen Konturenanimation zur Visualisierung der Wärmeübertragungswege Isoflächen und Oberflächentemperaturen Darstellung der Luftströme durch Vektoren oder Bänder mit farblicher Darstellung von Temperatur oder Geschwindigkeit Die Werkzeuge zur Visualisierung in FloVENT sind speziell darauf ausgelegt, die Produktivität der Ingenieure zu fördern. Voll gerenderte Modelle, 3D-Strömungsanimationen und Werkzeuge für dynamische Manipulation der Temperatur und der Strömungsergebnisse ermöglichen es den Ingenieuren, thermische und Lüftungsprobleme schnell und wirksam einzukreisen und konstruktive Verbesserungen zu visualisieren. Textur-Mapping und eine Video-Ausgabe erlauben es, Fragen des thermischen Designs auch Mitarbeitern und Kunden ohne technische Kenntnisse zu vermitteln. Einfache Erzeugung von Strömungsanimationen, z.b. als Video (AVI-Format) Dynamische Partikelverfolgung zum besseren Verständnis komplexer Strömungen Texturen zur fotorealistischen Darstellung Studie der Querkontamination in einem Reinraum Die Vorteile einer CFD-Analyse kommen erst mit Mentor Graphics richtig zum Tragen. Deren visuelle Darstellung der Temperaturen und Luftströmungen sind bei mehreren unserer Projekte der Schlüssel zum Abschluss des Vertrags und zur Abnahme gewesen. Verfolgung der Kondensation von Luftfeuchtigkeit in einem Reinraum Derek Morgan, Technischer Direktor, WSP Group Plc w w w. m e nto r. co m 8

9 Verfolgung von Verunreinigungen innerhalb eines Reinraums/einer pharmazeutischen Einrichtung Wir haben herausgefunden, dass die Simulation von Luftströmungen bei der Planung der Reinräume unserer Kunden sich günstig auf die Kapitalkosten, die Überprüfung der Planung und die Optimierung des Betriebs ausgewirkt hat. Dies hat zu weiteren Innovationen, w w w. m e nto r. co m z.b. neuen Konzepten für 300 mm-produktionsumgebungen, geführt. 9 Douglas Cansdale, Spezialist für die Planung von Reinräumen, CH2M Hill/DC

10 Consulting, Schulung und Support für die Simulation von Luftströmungen Was wir für Sie tun können... Seit 1988 nutzen Unternehmen auf der ganzen Welt unsere Beratungsleistungen im Bereich der Simulation von Luftströmungen. Machen Sie Ihre Entwicklungen effizienter, ersparen Sie sich den Aufwand für Zeit raubende und kostspielige physikalische Modelle, sagen Sie thermische Effekte präzise voraus, optimieren Sie die Kontrolle von Verunreinigungen und verringern Sie so die Betriebskosten. Warum lassen nicht auch Sie Ihre Entwicklungen von der Mentor Graphics Mechanical Analysis Division, dem weltweiten Marktführer bei der Simulation von Luftströmungen, optimieren? Rechenzentren Mit der Zunahme der elektronischen Speicherung steigt der Bedarf an Gebäuden für die benötigten Anlagen. Der verfügbare Raum zur Unterbringung der Server und anderen Geräten, die benötigt werden, um die Ansprüche der modernen Welt zu erfüllen, muss immer besser genutzt werden. Eine ausreichende und wirksame Belüftung dieser Bereiche ist äußerst wichtig, damit die Geräte nicht überhitzen und zu kostspieligen Ausfällen führen. Die Betreiber derartiger Einrichtungen setzen zunehmend die Simulation von Luftströmungen ein, um ihre Entwürfe zu optimieren. Kunden in diesem Bereich sind z.b. IBM und Sun Microsystems. Um die Kühlleistung des Entwurfs für ein Rechenzentrum zu beurteilen, bietet FloVENT die Möglichkeit, den Cold Aisle Capture Index und den Hot Aisle Capture Index zu berechnen. Diese Indices messen, wie effizient eine gegebene Kühlstrategie ist, wobei ein Wert von 100% optimal ist, und sie liefern Informationen dazu, welche Teile der Belüftungsanlage von den Luftströmungen her zu wenig leisten. Diese Indices werden in FloVENT unter einer Lizenz der American Power Conversion Corporation verwendet. Wohlbefinden in Räumen Der Komfort von Kunden und Passagieren ist im Verkehrswesen und im Dienstleistungsbereich ein immer bedeutenderer Faktor. Sicherzustellen, dass Ihre Systeme für eine ausreichende Belüftung, Heizung oder Kühlung sorgen, kann oft eine schwierige Aufgabe sein. Unsere Beratungsleistungen zur Modellierung von Luftströmungen simulieren das Innere Ihres Innenhofs, Büros, Flugzeugs, Zugs usw. und bestimmen, ob sich ihre Kunden oder Mitarbeiter darin wohlfühlen können. Unsere Kunden in diesem Bereich sind z.b. die SNCF, LIEBHERR Aerospace und PSA Peugeot Citroen. Verfolgung von Verunreinigungen Es gibt zahlreiche Fälle, in denen die Verfolgung von Verunreinigungen äußerst wichtig ist. Der offensichtlichste Fall sind Reinräume und ähnliche Umgebungen, in denen die Reinheit des Produkts absolut gewährleistet sein muss. Wir haben bei vielen solchen Anwendungen umfassend mitgewirkt. Unsere Berater für die Simulation von Luftströmungen können ein Modell Ihres Reinraums erstellen und zahlreiche Verunreinigungen darin verfolgen. Wir können sogar Verunreinigungen bis zur Quelle zurückverfolgen. Die Mentor Graphics Mechanical Analysis Division ist in diesem Bereich an zahlreichen Projekten beteiligt gewesen. Kunden sind z.b. biomerieux, NIH, Merck, Glaxo SmithKline und SGS Thomson. Externe Strömungen Die Simulation von Luftströmungen in der Umgebung von Gebäuden kann aus vielen Gründen wichtig sein, z.b. wegen des Wohlbefindens von Fußgängern oder der Ausbreitung von Verunreinigungen. Die Modellierung der Luftströmungen ermöglicht es, zu überprüfen, ob konstruktive Anforderungen erfüllt werden, ohne bei jeder Änderung der Konstruktion kostspielige Versuchsmodelle bauen zu müssen. Wir sind bei der externen Modellierung zahlreicher Gebäude beteiligt gewesen. Kunden sind z.b. WSP und AMEC. Umfassende Schulung und Support Damit Sie Ihre Investition in FloVENT optimal ausnutzen können, bietet Mentor Graphics den registrierten Kunden umfassenden Support per Telefon und . Der technische Support geht weit über Installationsfragen hinaus. Wir helfen bei Fragen zur Modellierung ebenso wie zu Bibliotheken und zur Bestätigung der Qualität der Ergebnisse. Ob Sie selbst FloVENT einsetzen oder unser Consulting nutzen: Sie können sicher sein, dass das gesamte Wissen, die praktische Erfahrung und der technische Sachverstand der Mentor Graphics Mechanical Analysis Division, der weltweit führenden Autorität bei der Simulation von Luftströmungen, hinter Ihnen steht. 10

11 Bilder eines französischen Bahnhofs (Reims). Dies ist eine Mischung aus Simulationsdaten und Architektenzeichnungen. Mit freundlicher Genehmigung von Elioth - OTH. w w w. m e nto r. co m 11

12 For the latest product information, call us or visit: Mentor Graphics Corporation, all rights reserved. This document contains information that is proprietary to Mentor Graphics Corporation and may be duplicated in whole or in part by the original recipient for internal business purposes only, provided that this entire notice appears in all copies. In accepting this document, the recipient agrees to make every reasonable effort to prevent unauthorized use of this information. All trademarks mentioned in this document are the trademarks of their respective owners. MGC w

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