Strömungssimulation: die Geschichte dahinter

Seite: 2/3

Firmen zum Thema

Wendepunkt für CFD

Den Höhepunkt dieses Stromfunktion-Wirbelstärke-Ansatzes stellte die Veröffentlichung des Buches „Heat and Mass Transfer in Recirculating Flow“ [1] [dt. Wärme- und Masseübertragung in der Umlaufströmung] im Jahre 1969 dar. Herausgeber dieses Werkes war Prof. Gosman. Es enthielt bereits den Quellcode für das CFD-Tool Answer, das von Runchal und Wolfshtein entwickelt wurde. Dieses Buch markierte einen Wendepunkt im Bereich der CFD, denn erstmals konnte nachgewiesen werden, dass industriell relevante Strömungsprobleme mittels numerischer Strömungssimulation gelöst werden können. Zudem gab es ein Tool an die Hand, das genau zu diesem Zweck verwendet werden konnte. Die von dieser Veröffentlichung befürworteten Techniken wurden nachfolgend dazu eingesetzt, die ersten CFD-Beispiele zu liefern, die auf die Umlaufströmung bei der Verbrennung angewendet wurden.

Nach dem Nachweis, dass der Stromfunktion-Wirbelstärke-Ansatz zum Simulieren von langsamen zweidimensionalen Strömungsproblemen angewendet werden kann, begannen Prof. Spalding und sein Team zu prüfen, ob diese Methoden auch auf die dritte Dimension erweitert werden konnten. Sie stellten jedoch schnell fest, dass die Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen in drei Dimensionen bei Umwandlung im Sinne der Stromfunktion und Wirbelstärke die Lösung von sechs Gleichungen erforderte, jedoch nur vier Gleichungen bei Umwandlung im Sinne der primitiven Variablen von Geschwindigkeit und Druck.

Bildergalerie

Grundlage kommerzieller Codes

Auf diese Anwendungsentwicklung folgten schnell zwei weitere wichtige Entwicklungen: die Einführung der Simple-Algorithmus-Varianten von Patankar und Spalding im Jahre 1976, die das Rückgrat von nahezu jedem nachfolgenden CFD-Code darstellen; und ein Jahr später veröffentlichten Launder und Spalding das Standard-k-ε-Turbulenzmodell, das die erste praktische Methode zur Modellierung von Turbulenzen lieferte, ohne sich auf eine willkürliche Längenskala berufen zu müssen. Ausgestattet mit diesem unerlässlichen Handwerkszeug war die Gruppe um Prof. Spalding nun in der Lage, mit der Entwicklung von problemspezifischen CFD-Codes zu beginnen, mit denen praktische Probleme der Strömungsmechanik angegangen werden konnten. Obwohl diese Codes nach modernen Standards eher simpel daherkommen, können sie als früher Prototyp aller nachfolgenden Codes angesehen werden. Sie spielten eine wichtige Rolle bei der Herstellung der Glaubwürdigkeit dieser neuen Disziplin der Computational Fluid Dynamics und sie stellen auch die Grundlage für alle zukünftigen kommerziellen CFD-Codes dar.

Simulation erhält Einzug in Lehrpläne

Prof. Gosmans eigener Beitrag in dieser Zeit war der zweidimensionale Code Teach, den er ursprünglich (gemeinsam mit Dr. W.P. Pun) als Ausbildungstool für die Weiterbildungskurse in CFD entwickelte, die das Spalding-Team ab dieser Zeit anbot. Mit Teach bereitete Prof. Gosman den Weg zur Benutzung von CFD in den Hörsälen. Dadurch fand die numerische Simulation Einzug in die Lehrpläne für das Vordiplom im Maschinenbau. Außerdem gestaltete er den ersten Kurs zur praktischen Anwendung von CFD als Lernmittel für die Strömungslehre und die Wärmeübertragung, und er veröffentlichte das allererste Lehrbuch [2]. Damit stellte er eine beachtliche Weitsicht unter Beweis; denn obwohl in einigen Hightech-Branchen bereits damit begonnen wurde, CFD-Techniken versuchsweise zu untersuchen, war die Veröffentlichung der ersten allgemeingültigen kommerziellen CFD-Codes immer noch ein halbes Jahrzehnt entfernt, und die praktische Strömungslehre war noch nahezu vollständig von experimentellen Methoden dominiert.

Obwohl Teach ursprünglich als Lehrmittel konzipiert war, kann man dennoch sagen, dass Prof. Gosman mit der Veröffentlichung des Quellcodes (als ein 1000-Zeilen-FORTRAN-Programm am Ende eines Lehrbuchs) die Open-Source-CFD-Bewegung begründet hat – auch wenn er dies eigentlich nicht beabsichtigt hatte. Teach wurde häufigen Änderungen und Erweiterungen unterzogen und war wahrscheinlich der meistgenutzte CFD-Code in der vorkommerziellen Welt [3,4].

Motivation: Probleme in der Wärmeübertragung

Die ursprüngliche Motivation für Spalding musste die Entwicklung von Simulationsmethoden für Probleme im Zusammenhang mit der Wärmeübertragung und Verbrennung gewesen sein, bei denen anders als bei Problemen der reinen Strömungslehre auch Rezirkulationsgebiete involviert waren, für die es zum damaligen Zeitpunkt weder theoretische Methoden gab noch experimentelle Forschung betrieben wurde. In den späten 1970er Jahren begann man mit der Realisierung dieser ehrgeizigen Bestrebungen, indem man die ersten praktischen Simulationen der Verbrennung in Gasturbinen und stationären Brennkammern vornahm.

Trotz dieses Erfolges blieb das bedeutendste Verbrennungsproblem von allen, nämlich das des Verbrennungsmotors in Kraftfahrzeugen, ungelöst. Anders als bei anderen Verbrennungsproblemen sind die Strömungen in Verbrennungsmotoren nicht stationär und finden in einem Lösungsgebiet statt, das eine komplexe Geometrie und sich bewegende Grenzschichten aufweist. Die präzise Simulation der Motorverbrennung würde also die Entwicklung eines mehrphasigen Modells erfordern, um Einspritzdüsen und Kraftstofffilme zu berücksichtigen, sowie Zündungs-, Verbrennungs- und Turbulenzmodelle. Unter Berücksichtigung der instationären Natur des Problems sowie der komplexen Physik und der erforderlichen großen Rechengitter war zur Lösung der Motorverbrennungsprobleme auch die Entwicklung eines zuverlässigen und effizienten Lösungsalgorithmus notwendig, um die große Anzahl der erforderlichen Zeitschritte durchzuführen und letztlich eine nachvollziehbare Lösung zu erreichen. Und zur Bewältigung dieser Herkulesaufgabe standen lediglich die seinerzeit sehr begrenzten Rechenressourcen zur Verfügung.

Simulation der Vorgänge im Verbrennungsmotor

Prof. Gosman veröffentlichte 1978 die erste achsensymmetrische CFD-Simulation von kalten Strömungen in einem Kolbenmotor [5], bevor er sich in den nachfolgenden zehn Jahren hauptsächlich der Entwicklung jener Techniken widmete, die die Simulation des ganz detaillierten Motorverbrennungsverfahren in drei Dimensionen möglich machen sollten. Um die Bewegung der Kolben und Ventile berücksichtigen zu können, entwickelte er eine neuartige Lagrangian-Eulerian-Methode mit sich bewegenden Rechengittern, bei der es schließlich möglich war, Zellschichten hinzuzufügen und zu entfernen, um so numerische Probleme zu vermeiden, die bei Zellen mit einem großen Seitenverhältnis auftreten können.

Auf dem Gebiet der Einspritzdüsenmodellierung entwickelte er gemeinsam mit Huh das nach ihnen benannte Huh-Gosman-Modell für die Zerstäubung und zusammen mit Bai das Gosman-Bai-Modell für den Wandaufprall. Um die Schwierigkeiten im Zusammenhang mit den Zeitschritten und der Stabilität anzugehen, implementierte Prof. Gosman den nicht-iterativen PISO-Algorithmus, der von seinem Imperial-Kollegen Dr. Raad Issa entwickelt worden war, wodurch die recheneffiziente Lösung von unbeständigen kompressiblen Strömungen unter Anwendung relativ großer Zeitschritte ermöglicht wurde.

Aus der Kombination dieser Arbeiten mit vielen anderen Entwicklungen ergab sich schließlich der CFD-Code Speed, der im Rahmen einer semi-kommerziellen Zusammenarbeit zwischen Prof. Gosmans Imperial-Team und einigen Partnern aus der Industrie entwickelt wurde.

(ID:42546377)