Strömungssimulation: die Geschichte dahinter

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Weiterer Schwerpunkt: Strömungsmechanik

Ein weiterer wichtiger Forschungsschwerpunkt von Prof. Gosman war die Entwicklung von Simulationsmethoden, um komplexe Geometrien praktischer Probleme der Strömungsmechanik bewältigen zu können. Die kommerziellen CFD-Codes jener Zeit stützten sich nahezu ausschließlich auf vollkommen strukturierte kartesische Rechengitter. Bei komplexen Problemen wurde ein „Treppenstufen“-Ansatz verfolgt. Bei Geometrien, die nicht als Kombination aus Zylindern und Kästen dargestellt werden konnten, führte dieser Ansatz jedoch zu großen Ungenauigkeiten. Nachdem Gosman bereits ein Jahrzehnt mit dem Versuch zugebracht hatte, Geometrien komplexer Motorbrennräume und Ansaugsysteme zu modellieren, gelang er zu der Überzeugung, dass es notwendig war, eine zuverlässigere Methode für die Simulation zu unter Verwendung von formangepassten Rechengittern entwickeln – und zwar nicht nur für Motoren, sondern für alle Arten industrieller CFD-Probleme.

Also begann er damit, systematisch nach einem Weg für die Entwicklung flexibler Rechengittermethode zu suchen, die auf alle Geometrien anwendbar sein sollte, ganz gleich, wie komplex diese auch sein mochten. Nach umfangreichen Untersuchungen zahlreicher Alternativen setzte er schließlich auf einen Ansatz, der auf gleich positionierten kartesischen Geschwindigkeiten basierte. Inspiriert war dieser Ansatz von Rhie und Chow. Gosman gelang es, diesen Ansatz zunächst auf teilweise und dann auf völlig unstrukturierte CFD-Rechengitter, einschließlich jener mit "Sliding Interfaces", in allgemeingültiger Weise anzuwenden.

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Gründung des Unternehmens Computational Dynamics

Bis zur Mitte der 1980er Jahre hatte Prof. Gosmans Team bereits eine eindrucksvolle Sammlung an Simulationstools zusammengestellt, von denen viele den kommerziellen CFD-Codes, die zu diesem Zeitpunkt allmählich aufkamen, weit voraus waren, insbesondere im Umgang mit komplexen Geometrien. Die Erfahrung im Testen und Unterstützen von Speed hatten Prof. Gosman davon überzeugt, dass die Hochschule keine ideale Umgebung zur Entwicklung von CFD-Code bot, und so gründete er gemeinsam mit Dr. Raad Issa die Computational Dynamics Ltd. als kommerzielles Unternehmen, mit dem Ziel, einen unstrukturierten und formangepassten industriellen CFD-Code zu entwickeln.

Finanzierung von Beratungsunternehmen

Die Eintragung der Gesellschaft erfolgte am 19. Dezember 1987, also an dem Tag, der als „Schwarzer Montag“ in die Geschichte einging. Die Computational Dynamics Ltd. hatte also keinen einfachen Start. Bei diesem Börsencrash von weltweitem Ausmaß verwundert es nicht, dass Gosman und Issa anfangs Schwierigkeiten hatten, Investoren für ihr Start-up-Unternehmen zu finden – und dass es sich um eine wenige bekannte Technologie handelte, machte die Sache auch nicht gerade einfacher. Die dringend benötigte Finanzierung kam schließlich von Adapco, einem Beratungsunternehmen für Baustatik mit Sitz in New York, das seinerzeit Konstruktionsanalysen für Zylinderköpfe durchführte.

Adapco war kurz zuvor dazu übergegangen, CFD-Simulationen anzuwenden, um präzisere Randbedingungen für die Wärmeübergangsskoeffizienten für ihre FEA-Simulationen zu schaffen. Dieser Ansatz führte jedoch nicht zum gewünschten Ziel, da keiner der kommerziellen Codes die formangepassten Methoden bereitstellte, die zur Erlangung von Ergebnissen mit hinreichender Präzision notwendig gewesen wären. Steve MacDonald, Präsident von Adapco, lernte Prof. Gosman über einen gemeinsamen Bekannten bei der Ford Motor Company kennen. Er erkannte schnell, dass der CFD-Code von Gosman nicht nur die Probleme mit den Wärmeübergangskoeffizienten lösen würde, sondern auch bei Strömungssimulationen von Kühlwassermänteln als nützliches Tool eingesetzt werden könnte.

Kommerzieller CFD-Code

Mit der Unterstützung von Adapco gelang es der Computational Dynamics Ltd., eine kommerzielle Version ihres formangepassten CFD-Codes namens Star-CD zu entwickeln (wobei Star für Simulating Transport in Arbitrary Regions steht). Die erste Version war noch blockstrukturiert, aber schon mit der zweiten Veröffentlichung im Jahre 1991 wurde Star-CD zum ersten wirklich unstrukturierten Code. Damit waren die Ingenieure in der Lage, Rechengitter durch eine beliebige Kombination von sechsflächigen, vierflächigen und prismatischen Zellen zu konstruieren, was eine beispiellose geometrische Flexibilität ermöglichte. Die für Speed entwickelte Technologie kam auch beim Star-CD zur Anwendung, der schnell zum Standard-CFD-Code für die Simulation von Motorverbrennungsproblemen wurde.

Mehr als 25 Jahre nach seiner ersten Veröffentlichung ist Star-CD immer noch topaktuell und hält weiter eine führende Stellung auf dem Motorsimulationsmarkt. Die allermeisten Motoren, die seit den frühen 1990er Jahren entwickelt wurden, wurden mit STAR-CD entworfen und numerisch getestet. Damit wurden Hersteller von Motoren in die Lage versetzt, sowohl den Kraftstoffverbrauch als auch die Emissionen beträchtlich zu reduzieren. Computational Dynamics und Adapco sind mittlerweile gemeinsam unter dem Namen CD-Adapco tätig. Zusammen beschäftigen sie mehr als 800 Mitarbeiter, die mit der Entwicklung und dem Support von STAR-CD und Star-CCM+, ihrem CFD-Tool der nächsten Generation, betraut sind.

Prof. Gosman am Imperial College

Trotz des Erfolgs seines kommerziellen Unternehmens blieb Gosman seiner akademischen Tätigkeit treu und wurde 1988 zum Professor für CFD am Imperial College ernannt, wo er schließlich mehr als 200 wissenschaftliche Arbeiten zu CFD veröffentlichte. Genauso wie die Gruppe um Spalding seinerzeit zahlreiche CFD-Codes hervorbrachte, wie zum Beispiel Teach, wurde der heutzutage führende Open-Source-CFD-Code Foam (aktuell: Open-Foam) von Dr. Henry Weller während seiner Zeit im Forschungsteam von Prof. Gosman entwickelt.

Bis vor Kurzem konnte Prof. Gosman voller Stolz behaupten, dass er in seinem ganzen Leben noch nie eine CFD-Berechnung unter Verwendung eines kommerziellen CFD-Codes durchgeführt hatte – und dass, obwohl er sich während seiner gesamten Karriere der Forschung, Lehre und Entwicklung von CFD-Tools gewidmet hat. Damit ist es jedoch vorbei, denn vor gar nicht allzu langer Zeit wurde er dabei beobachtet, wie er an der Schulung „Star-CCM+ für Anfänger“ teilnahm. Und dies ist vielleicht sein größtes Vermächtnis: dass nach mehr als 40 Jahren der Entwicklung CFD-Tools nun so zugänglich sind, dass selbst eine CFD-Koryphäe wie David Gosman in der Lage ist, ihre Anwendung zu erlernen.

Literaturhinweise:

[1] Gosman A D (Editor), 1969 “Heat and Mass Transfer in Recirculating Flows”, ISBN 0122919505

[2] Gosman A D, Launder B E, Reece GJ, 1985, “Computer-aided Engineering, Heat Transfer and Fluid Flow”, ISBN 0853128669

[3] Runchal A K, 2008, “Brian Spalding: CFD and reality”, Proc. CHT-08, ICHMT -

International Centre for Heat and Mass Transfer, International Symposium on Advances in

Computational Heat Transfer, May 11 ss Transfer, Internation

[4] Hirschell E H (Editor), 2009, “Notes on Numerical Fluid Mechanics': 40 Years of Numerical Fluid Mechanics and Aerodynamics in Retrospect”, ISBN 3540708049

[5] Gosman A D and Johns R J R, 1978, "Development of a predictive tool for in-cylinder gas motion in engines" SAE International Congress, Detroit, paper 7803l5. (mz)

* Stephen W. Ferguson, CD-Adapco

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