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Strömungssimulation: die Geschichte dahinter

| Autor/ Redakteur: Stephen W. Ferguson / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

CFD löst heute komplexeste Probleme der Strömungsmechanik. Den Anfang läutete vor vierzig Jahren eine Gruppe visionärer Forscher am Imperial College in London ein.

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Ungeachtet der Rechenressourcen wurden vor 40 Jahren Techniken und Methoden entwickelt, die die Strömungsmechanik revolutionieren sollten.
Ungeachtet der Rechenressourcen wurden vor 40 Jahren Techniken und Methoden entwickelt, die die Strömungsmechanik revolutionieren sollten.
(Bild: CD-Adapco)

Bei Computational Fluid Dynamics (CFD) geht es um das Lösen komplexer Probleme der Strömungsmechanik mithilfe kostspieliger Software, umfangreicher Rechenressourcen sowie qualifizierter Ingenieure und Fachleute. Wenn die Probleme nicht so komplex bzw. bedeutend wären, dann wäre es zweifelhaft, so viel Zeit und Geld zu deren Lösung aufzuwenden. Junge Ingenieure könnten leicht zu der Annahme gelangen, dass dieser Wunsch, Simulationstechnologien auf komplexe Probleme anzuwenden, erst der jüngeren Zeit entspringt, und dass es erst heute möglich ist, anspruchsvolle industrielle Probleme mit komplexen multi-physikalischen Simulationstools zu lösen.

Revolutionäre Methoden

Diese ist jedoch ein Trugschluss, eine Annahme, die auf falschen Vorstellungen basiert. Schon vor vierzig Jahren war die Geburtsstunde von CFD, als eine kleine Gruppe visionärer Forscher sich daran machte, komplexe Probleme im Zusammenhang mit Turbulenz, Wärmeübertragung und Verbrennung einer wissenschaftlich fundierten Lösung zuzuführen. Ungeachtet der seinerzeit wirklich sehr beschränkten Rechenressourcen entwickelten sie Techniken und Methoden, die die Strömungsmechanik revolutionieren sollten.

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Prof. David Gosman war einer dieser Visionäre. Von Beginn war er Mitglied der Imperial College CFD-Forschungsgruppe von Prof. Spalding und spielte eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Simulationsmethoden, die den hohen Anforderungen komplexer Geometrien industrieller Praxisprobleme gerecht werden konnten. Viele dieser Lösungen werden noch heute in allen kommerziellen CFD-Codes verwendet. Er leistete auch Pionierarbeit bei der Anwendung von CFD im Zusammenhang mit der Verbrennung in Kolbenmotoren. Einige der von ihm entwickelten Methoden und Softwares kamen bei nahezu allen Automotoren, die seit den frühen 1990er Jahren entworfen wurden, zur Anwendung.

Methode zur Berechnung turbulenter Strömungen

Prof. Gosman kam im Herbst 1962 an das Imperial College, nachdem er sein Studium an der University of British Columbia absolviert hatte, um bei Prof. Brian Spalding seinen PhD zu machen. In den frühen 1960er Jahren lag der Schwerpunkt von Spaldings Forschungsarbeit auf der Entwicklung einer universellen Methode zur Berechnung von turbulenten Strömungen unter Anwendung von eigendynamischen Integralgleichungsmethoden für zweidimensionale Scherströmungen, insbesondere zur Anwendung auf freie Strömungen und Wandströmungen. Obwohl sich diese Techniken bei der Berechnung von „parabolischen“ grenzschichtartigen Strömungen als mäßig erfolgreich erwiesen, waren sie auf allgemeinere Probleme „elliptischer“ Art (mit starken Druckgradienten, separierten Strömungen, Rückführungen und Aufprallvorgängen) nicht anwendbar.

Da die Lösung von Problemen „industrieller“ Art, insbesondere im Zusammenhang mit der Verbrennung, die Lösung von Problemen elliptischer Art voraussetzt, gaben Prof. Spalding und sein Team den 2-D-parabolischen Ansatz letztendlich zugunsten eines diskretisierten Stromfunktion-Wirbelstärke-Ansatzes auf, mit dem die zweidimensionalen Navier-Stokes-Gleichungen (umgewandelt im Sinne der Stromfunktion und Wirbelstärke) unter Anwendung des Finite-Volumen-Verfahrens und der Aufwinddifferenzierung gelöst werden konnten. Obwohl sich Prof. Gosman in seiner hauptsächlich experimentellen Dissertation gerade nicht mit der Entwicklung solcher Methoden beschäftigte, wurde er schon bald an ihrer Entwicklung beteiligt – und zwar in einem solchen Umfang, dass die Veröffentlichung seiner Doktorarbeit um mehrere Jahre verschoben werden musste. Doch dieser „Umweg“ sollte seine gesamte weitere Karriere maßgeblich beeinflussen.

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