Virtuelles Prototyping mit CFD ist schneller! Computational Fluid Dynamics in Planung und Konstruktion

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1 Virtuelles Prototyping mit CFD ist schneller! Computational Fluid Dynamics in Planung und Konstruktion Publikation: Tecnica Datum: November 2002 Autoren: Dr. Alfred Moser, Dr. Daniel Gubler, Dr. Alois Schälin Konstrukteure und Planer haben erkannt, dass ihre Prototypen in Virtual Reality Realität rascher gebaut, getestet und optimiert werden können. Wenn Strömungen für die Funktion wichtig sind, greifen sie zu Computational Fluid Dynamics (CFD). Die Computerrechnung zeigt auch Details, die messtechnisch kaum zu erfassen wären. Seien es Gasturbinen, medizinische Geräte oder die Klimatisierung eines Opernhauses, der Konstrukteur mit der besten Information über die physikalischen Vorgänge hat den grössten Erfolg! Oft ist die Materialfestigkeit ein kritischer Faktor, manchmal die chemischen Reaktionen oder die Biologie. In den meisten Anwendungen sind es aber die Fluidund Thermodynamik, die über den Erfolg eines Produktes entscheiden. Die numerische Berechnung von Strömung und Wärmetransport wurde in den letzten Jahren so weit entwickelt, dass zuverlässiges virtuelles Prototyping experimentelle Produktentwicklung teilweise verdrängt hat. Nicht zuletzt auch weil die Visualisierung heute ungeahnte Möglichkeiten bietet und komplexe Strömungsvorgänge erklärbar dargestellt werden können. Je früher in der Planungsphase CFD eingesetzt wird, umso höher ist der Nutzen für den gesamten Entwicklungsprozess. Grundsatzentscheide können fundiert getroffen und die Anzahl von teuren Experimenten kann wesentlich reduziert werden. Bei der Behandlung neuartiger Fragestellungen wird ein optimaler Nutzen erreicht, wenn die CFD Simulationen mit Experimenten ergänzt werden. Ein Richtwert ist 10-20% Versuche und 80-90% CFD Simulationen. Bild 1: 1: Komplexe Geometrie des Quenchstossers CFD Computational Fluid Dynamics ist eine leistungsfähige computerbasierte Technologie zur Beantwortung strömungstechnischer Fragestellungen. CFD unterstützt den Ingenieur in der Auslegungs- und Konstruktionsphase bei der korrekten Auswahl von Bauteilen und Prozessführung. Wir gehen in den folgenden Abschnitten auf einige Fragen, die uns Ingenieuren gestellt werden ein: Ist CFD wirklich schneller als Experimente im Prüfstand? Weit verbreitet ist die Vorstellung, dass numerische Strömungsrechnungen nur in aufwendigen, mehrjährigen Forschungsvorhaben abgewickelt werden können. Das ist heute nicht mehr so! Das Aufsetzen eines Falles kann einige Zeit in anspruch nehmen. Und bis die AFC Air Flow Consulting AG T Weinbergstrasse 72 F info@afc.ch CH 8006 Zürich

2 erste Simulation korrekt läuft, vergeht weitere Zeit. Weitere Varianten, basierend auf einem bestehenden Modell sind dann aber schnell. Viel schneller als im Versuchslabor ein neuer Versuchsaufbau steht. Und das ist gerade, was sich der Entwicklungsingenieur wünscht: Innert nützlicher Frist möglichst viele Varianten durchzuprobieren und untereinander zu vergleichen. Ein kleiner Auftrag kann durch Fachleute innerhalb von ein bis zwei Wochen abgewickelt werden, unter den Voraussetzungen, dass freie Kapazität bereitsteht, dass komplette Eingabedaten bekannt sind, und dass in Sachen Physik nicht auf völliges Neuland vorgedrungen werden muss. CFD deckt verborgene Probleme auf, brauchen wir das? Natürlich will der Entwicklungsingenieur alle Strömungseinzelheiten kennen! Er kann dann selber entscheiden, wo ein Problem entstehen könnte. Bei Experimenten können aus Zeitund Kostengründen Messungen oft nur an ausgewählten Punkten durchgeführt werden. Es kann dann vorkommen, dass in einem Gebiet des Strömungsfeldes, das nicht vermessen wurde, zum Beispiel unerwünschte Rückströmungen auftreten. Diese können unter Umständen Schadstoffe unbemerkt in eine saubere Zone einspeisen. CFD gibt dem Ingenieur wesentlich mehr Informationen über das Strömungsfeld als einzelne Messpunkte. Die Resultate von CFD werden oft als farbige "Landkarten" dargestellt. In einer solchen Darstellung werden zum Beispiel die Konzentrationen durch verschiedene Farben gezeigt. Eine lokale Kontamination ist dann als Farbfleck leicht zu erkennen. Bei der numerischen Simulation werden beliebige Strömungsgrössen automatisch und im ganzen Feld berechnet. Wenn zum Beispiel im Experiment Geschwindigkeit, Temperatur und Konzentration gemessen werden, können in CFD ohne weiteren Aufwand auch Strömungsrichtung, Turbulenzgrad, und Wärmeübergang an Oberflächen bestimmt werden. Bild 2 a: Strömungsvisualisierung des Abgasstroms um den Quenchstosser Wie genau ist CFD? Validationsrechnungen haben den Zweck, die Genauigkeit von CFD Rechnungen mit Messungen zu vergleichen und so die Vertrauenswürdigkeit der Simulation zu prüfen. Grundsätzlich ist es ideal, wenn bei einer Produktentwicklung wenigstens ein Fall oder eine Grundvariante mit Messungen bestätigt werden kann. Ein solcher Vergleich erhöht das Vertrauen in die Simulation und gibt den Weg frei für die Berechnung von vielen Varianten, für die es dann keine Messungen mehr braucht. Es existieren viele Berichte über Validationsrechnungen. In den 90-er Jahren hat die International Energy Agency, IEA, im Programm Energy Conservation in Buildings and Community Systems verschiedene Computer Codes mit parallel geführten Benchmark Messungen verglichen. Damals wurde die Rechengenauigkeit für Luftgeschwindigkeiten bei erzwungener Konvektion im Mittelfeld mit ± 10% angegeben. Bei natürlicher Konvektion (Auftriebsströmung) kann sie bis auf ± 20% sinken. Heute ist die Treffsicherheit einiges besser, da mit feineren Gittern und verbesserten Turbulenzmodellen gearbeitet wird. Immer gilt aber der Satz: Die Simulation kann nie besser sein, als mit den gegebenen Randbedingungen möglich ist! ENG_VirtuellesPrototyping_ Seite 2

3 Wie gross ist der Aufwand und wieviel kostet CFD? Der Aufwand ist stark abhängig von der Erfahrung der Benützer/Benützerinnen der CFD Programme. Ebenso senkt eine permanente Auslastung des CFD Ingenieurs die teilweise hohen Lizenzkosten. Es muss gut abgewogen werden, ob CFD In-House durchgeführt werden soll oder ob dafür eine auf CFD Anwendung spezialisierte beigezogen werden soll. Folgende Teilaufgaben kommen praktisch bei allen CFD-Aufträgen vor: Gespräch mit Auftraggeber, Formulierung der Aufgabe Randbedingungen und Fragestellung, Auftragserteilung, Eingabe der Geometrie oder Import von CAD Daten, Aufbereitung für CFD, Gittergenerierung mit Computer- Programm (Mesher), Aufsetzen der Grundvariante im Strömungsprogramm, Randbedingungen, Rechnen der Grundvariante, Präsentation der Ergebnisse der Grundvariante graphisch, animiert, und/oder in Virtual Reality. Interpretation der Resultate, Bericht und weitere Besprechungen. Für jede weitere Variante mit gleicher oder neuer Geometrie müssen die entsprechenden Aufgaben wiederholt werden. Wozu Virtuelle Realität wenn die Rechnung fertig ist? "Virtuelle Realität," ein Modewort! Und in sich ein Widerspruch, zugegeben! Und doch trifft der Ausdruck zu auf die Bildschirmdarstellung von im Computer gespeicherten dreidimensionalen Objekten (oder deren digitaler Beschreibung). Der Rechner zeigt ein virtuelles Bild von Gegenständen und Strömungen, die wir uns in Realität vorstellen können. Die ersten digitalen Rechner vor Jahren haben ihre Resultate als meterlange Zahlentabellen ausgespuckt. Heute sind die Bild 2b: Überhöht dargestellte Verformung des Quenchers, mit Resultat eingefärbt. produzierten Datenmengen so gross, dass ihnen nur noch durch grafische Darstellungen beizukommen ist. Die produzierte Datenmenge pro Rechnungsvariante kann 1 GB übersteigen. Die Forderung, dass die Datenwerte und die Position ihres Auftretens für ein ganzes Gebiet gleichzeitig und zeitlich variabel gezeigt werden können, ist in klassischen Grafiken schon erfüllt. Auf einem ebenen Schnitt durch das Strömungsgebiet können zum Beispiel die Temperaturen als Farben dargestellt werden. In Virtual Reality (VR) erscheinen die Objekte praktisch dreidimensional auf dem Bildschirm. Die räumliche Wahrnehmung wird dadurch erreicht, dass der Betrachter das Objekt oder ein Stromlinienbündel auf dem Bildschirm interaktive beliebig verschieben, drehen und heranziehen (zoomen) kann. Der Entwicklungsingenieur kann sich so sofort ein Bild machen von den strömungstechnischen Vorgängen. Konsequenzen für den Konstrukteur "Lohnt es sich nun, CFD im eigenen Betrieb einzusetzten?" Die Antworten auf die obigen Fragen sind als Entscheidungshilfe für die Entscheidungsträger im KMU gedacht. Je nach den Bedürfnissen und Möglichkeiten wird man sich für oder gegen CFD- ENG_VirtuellesPrototyping_ Seite 3

4 Prototyping entscheiden. In der Industrie werden zur Zeit folgende Lösungen realisiert: 1. Beschaffung eines einfachen, benützerfreundlichen CFD-Programms, Bedienung durch eigene Leute; 2. Erwerb einer kommerziellen Lizenz für ein leistungsfähiges Programmpaket mit allen Möglichkeiten und Bereitstellung einer Gruppe von 2-3 Spezialisten, Aufbau der firmeneigenen CFD-Kompetenz; 3. Erteilen von einzelnen Aufträgen an eine spezialisierte CFD Consulting Firma Firma (wie z.b. AFC Air Flow Consulting AG in Zürich). Jeder dieser Ansätze hat seine Vor- und Nachteile. Zwei Anwendungsbeispiele, die von AFC Air Flow Consulting in Zusammenarbeit mit schweizerischen Unternehmen realisiert worden sind sollen die heutigen Möglichkeiten von CFD in der Praxis etwas deutlicher machen: Beispiel 1: Kopplung von Luftströmungsund Festigkeitsanalyse onsequenzen für den Konstrukteur Die Firma THERMOSELECT (Locarno) baut und installiert Anlagen zum Hochtemperaturrecycling von Abfällen (Kehricht) durch Vergasung der organischen Stoffe zu Synthesegas und Direkteinschmelzung der anorganischen Bestandteile in industriell nutzbare Mineralstoffe und Metalle. Der Synthesegasausgang erreicht Temperaturen von ca. 1'200 C. Unmittelbar vor der Schockkühlung (Quench) des Synthesegases mit Wasser setzen sich an den Wänden geschmolzene Mineralstofftröpfchen ab. Aufgewachsene Mineralstoffe werden in vorgegebenen Zeitintervallen durch einen Quenchstosser abgestossen, um den Heißgasausgang permanent freizuhalten. Für diesen wurden die folgenden Untersuchungen durchgeführt. Die Auftretenden Spannungen und Verformungen wurden mit Hilfe einer Kombination aus Strömungssimulation (AFC Air Flow Consulting AG Zürich) und Festigkeitsberechnungen (EMPA Dübendorf) bestimmt. Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag auf folgenden Bereichen: Bild 3a: Funktionsmodell in der ersten Prototypenphase. Stromlinien im Bauteil Umströmung des Quenchstosser, Temperaturverteilung im Quenchstosser, 30 Sekunden nach Exposition im Rohr, resultierende Verformung und auftretende Spannungen. Grundlage der Untersuchungen bildet ein detailliertes Berechnungsmodell des untersuchten Raumes mit Quenchstosser, welches die Synthesegasströmungen und Temperaturwerte an bis ca Rechenpunkten als Funktion verschiedener Randbedingungen zu berechnen erlaubt. Bild 1 zeigt die sehr komplexe Geometrie des Bauteils eingefärbt mit der Oberflächentemperatur und die überhöht dargestellte durch die thermische Belastung auftretende Ausdehnung des Bauteils. Berücksichtigt wurden für diese Untersuchung Effekte wie die Strömung, Wärmeleitung im Quenchstosser, Strahlung zwischen Rohrwänden und Quenchstosser-Oberfläche. Das Gas wurde als nicht-absorbierend modelliert. Die Temperaturverteilung im Quenchstosser wurde an das FEM-Programm Abaqus übergeben, mit welchem die Verformung und Verspannungen berechnet werden konnte. Bild 2 zeigt eine Visualisierung der komplexen Luftströmung um den Quenchstosser in seiner Ausgangsposition. ENG_VirtuellesPrototyping_ Seite 4

5 Beispiel 2: Wasserabscheidung bei Autoklimaanlagen Bei der Klimatisierung von Automobilen ist die Ansaugung der frischen Luft von entscheidender Bedeutung. Bei Regen darf die Klimaanlage nicht mit Wasser respektive mit Feuchtigkeit vollaufen, der Feuchtigkeitsgehalt in der Fahrgastzelle muss durch geeignet konstruierte Bauteile zur Wasserabscheidung minimiert werden. Die Firma Weidmann Plastics AG produziert entsprechende Bauteile für renommierte Hersteller wie zum Beispiel Daimler Chrysler. Seit einiger Zeit wird aber von Automobilzulieferern nicht nur das fertige Teil verlangt, mehr und mehr werden ganze Funktionseinheiten mit dem zugrunde liegenden Engineering im Auftrag vergeben. Weidmann Plastics AG Rapperswil hat erfolgreich damit begonnen, die Funktionsgruppe der Wasserabscheidung für verschiedene Autotypen zu entwickeln. Die Optimierung der Bauteile erfolgt in Zusammenarbeit mit AFC Air Flow Consulting AG durch numerische Strömungsberechnungen. Simulationen in einem frühen Prototypenstadium (Bild 3) erlauben fundierte Grundsatzentscheide über das Design in einem sehr frühen Stadium zu fällen. Mit der Berechnung können Druckverlustwerte, Geschwindigkeitsverteilung und Problemzonen wie Rezirkulationsgebiete etc. bestimmt werden. Fortschrittliche Visualisierungstechnik mit Hilfe von Virtual Reality ergibt den Ingenieuren ein besseres Verständnis der komplexen Strömungsvorgänge. Neue Modelle erlauben auch die Berechnung von Wassertropfen in der Luft sowie deren Verhalten beim Aufprall auf Wänden (Rückprall, Zerplatzen, Filmbildung etc.). Durch die direkte Importmöglichkeit von Produktionsdaten aus dem CAD System können auch sehr komplexe Bauteilformen mit vernünftigem Aufwand modelliert werden. Bild 3b: Funktionsmodell in der ersten Prototypenphase. Wassertropfen in verschiedenen Grössen. AFC Geschäftsbereiche Brandschutz Sicherheit für Ihr Gebäude Brandschutzkonzepte Fluchtweg und Entrauchung Integrale Sicherheit Ausführung und Betrieb Bauklimatik Mehr Komfort, weniger Energie Raumklima und Komfort Fassaden und Atrien Lüftungskonzepte Gebäudeumströmung Contaminant Control Bessere Luft für Reinraum, Industrie und Umwelt Reinraum Industrielüftung Abgasausbreitung Luftqualität Engineering Schnellere Produktentwicklung dank Simulationen Strömungsanalyse CFD Wärmeleitung / Kühlung Deformation FEM Verbrennung / Mischung ENG_VirtuellesPrototyping_ Seite 5