Das Unternehmen gegründet g als "Ingenieurbüro Dr. H. E. Gruner & Sohn" von Heinrich Gruner mit dem Schwerpunkt Wasserversorgung in Basel.

Transkript

1 Integrierte 3D-Strömungs Strömungs-Simulation Simulation in der Gebäudetechnik und im Brandschutz Dr. Peter R. Bailey und Erwin G. Schnell Gruner AG, Basel, Schweiz

2 Das Unternehmen 1862 gegründet g als "Ingenieurbüro Dr. H. E. Gruner & Sohn" von Heinrich Gruner mit dem Schwerpunkt Wasserversorgung in Basel technischer Aufsatz «Reise durch den Gotthard-Basistunnel im Jahr 2000» von Eduard Gruner über die visionäre Idee eines ca. 50 Kilometer langen Gotthard-Basistunnels von Amsteg nach Biasca mit einer Station in Sedrun Umwandlung in die Aktiengesellschaft Gruner AG. 2

3 Das Unternehmen Die Gruner AG heute: führendes Ingenieur-Dienstleistungsunternehmen in den Bereichen Konstruktion, Tiefbau, Gebäudetechnik + Energieanlagen, Umwelt + Sicherheit mit internationaler Ausrichtung. eine Unternehmensgruppe aus 12 Einzelfirmen an 26 Standorten mit knapp 600 Mitarbeitenden. vereint in ganz bemerkenswerter Weise die fast 150jährigeTradition eines klassischen Ingenieurbüros mit dem hohen Anspruch an eine moderne, leistungsfähige und effiziente Unternehmensgruppe. 3

4 CFD-Anwendungs-Schwerpunkte Brand- und Entrauchungssimulation Gebäudeaerodynamik Energietechnik Wasserbau Umweltaerodynamik Emissionsprognosen Strahlventilatoren Aeroelastik Aeroakustik CO 2 -Footprint Bauteilsimulation Thermische Simulation Verfahrenstechnische Prozesse 4

5 5 Software-Schwerpunkte

6 Ausgangslage Während numerische Verfahren und digitale Prototypen auf vielen Gebieten der ingenieurwissenschaftlichen Anwendung zu einem festen Bestandteil des Entwicklungsprozesses geworden ist, hat das digitale Zeitalter im klassischen Ingenieurbau erst begonnen. Das ist im wesentlichen auf folgende "Hürden" zurückzuführen: Fehlende Durchgängigkeit in der 3D-CAD-Konstruktion und Verfügbarkeit brauchbarer 3D-CAD-Modelle Mangel an geeigneten CAD-CAE-Schnittstellen Mangel an physikalischen und chemischen Modellen Bereitstellung der erforderlichen Hardware-Ressourcen Psychologisch - die Kosten lassen sich nicht auf Stückzahlen umlegen 6

7 7 by courtesy of Prozessvergleich

8 Status Quo Design und Geometrie: die eingesetzten CAD-Tools sind vornehmlich auf die Anwendung im Architektur- und Planungsbereich zugeschnitten. die zugrunde liegenden Geometrien liegen hauptsächlich hli h in Form von 2D Plänen vor, 3D Modelle haben eine eher optisch/demonstrative Funktion und sind nicht zwingend massstäblich. die Geometrien sind vergleichsweise einfach und wenig detailliert. Schnittstellen: bislang nur STL- und dwg-formate 8

9 9 Geometrieimport

10 Status Quo Räumliche Diskretisierung: Automatisch generierte Trimmed Meshes bzw. vorzugsweise Polyeder-Rechengitter mit 2 bis 5 Prism-Layers. Trotz vergleichsweise wenig komplexer Geometrien werden schon aufgrund der Dimensionen schnell Zellanzahlen in gut zweistelliger Millionenhöhe erreicht. Gängiger Detailierungsgrad im Bereich 5 bis 10 cm (Treppenstufen, Deckenfachwerke, Säulen und Stützen). 10

11 11 Modellgrösse

12 Status Quo Simulation: Brandszenarien sind von Natur aus chaotisch. digitale Modelle sind aufwändig, anspruchsvoll und im Begriff ständiger Weiterentwicklung. t i grundsätzlich transient nicht nur im physikalisch/chemischen Sinn (Energie- und Rauchfreisetzung, Ventilatorenanlauf, Temperaturen) sondern auch geometrisch (Brandausbreitung, Rauchschürzen, Klappen, Nachströmöffnungen). unterschiedliche h Zeitskalen je nach Brandszenario und Schutzziel- Vorgaben von 300 s bis 30 min. 12

13 Typischer zeitlicher Ablauf einer Brandsimulation Vol m3/h Vol m3/h Vol m3/h Vol m3/h Vol m3/h Entrauchungsleistung [m3/h] Heat Release (HE) [kw] Heat Release (NE) [kw] SPA (VDI6019 B1 - H = 6.5 m) SPA (VDI6019 B1 - H = 5.5 m) NA_Öffnung Beginn NA_Öffnung vollendet 4000 kw 3600 kw 3200 kw 2800 kw 2400 kw 2000 kw 1600 kw 1200 kw 800 kw 400 kw Vol. 0 m3/h 0 kw 0 s 50 s 100 s 150 s 200 s 250 s 300 s 13

14 14 Vertikal-Applikation Fire & Smoke Wizard

15 15 Vertikal-Applikation Fire & Smoke Wizard

16 16 Vertikal-Applikation Fire & Smoke Wizard

17 17 Field Functions

18 18 Steckler Benchmark

19 19 Steckler Benchmark Geschwindigkeit

20 20 Steckler Benchmark Temperatur

21 21 Aktuelle Anwendungen Geometrieimport

22 22 Aktuelle Anwendungen Polymesh

23 23 Aktuelle Anwendungen Trimmed Mesh

24 Aktuelle Anwendungen Simulationsablauf 15 s 24

25 25 Aktuelle Anwendungen Simulationsablauf

26 26 Aktuelle Anwendungen Extinction

27 27 by courtesy of 5D-Initiative der Bauindustrie

28 28 5D-Initiative der Bauindustrie

29 29 Topografie-Modellierung

30 Digitaler Prototyp Verschattung Solarertrag Gebäudeaerodynamik 30

31 31 Verschattungssimulation

32 32 Strahlventilator und Emissionsprognose

33 33 Aeroelastik

34