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Strömungssimulation ersetzt hochkomplexe Windkanaltests

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CFD: Der neue Mitspieler

CFD ist eine relative neue Technologie für die Modellierung von Wind und Chemikalienverteilung, vor allem weil es der Industrie bisher an den Supercomputer-Rechnerressourcen und auch den entsprechenden CFD-Experten mangelte. Allerdings existieren inzwischen rund um die Welt hochqualifizierte und kompetente Beratungsfirmen, darunter M/E Engineering, die solche Studien durchführen. CFD bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber anderen Modelliermethoden für Wind:

  • CFD ist kostengünstig, weil keine physikalischen Prototypen gebaut werden müssen.
  • Es ermöglicht die Analyse komplexer Fälle, die sich im Windkanal nur schwierig nachstellen lassen, beispielsweise bei komplexen Kaminkonstruktionen, detailreichen Geometrien und beheizten Dächern oder Parkplätzen. Manche Situationen lassen sich mit anderen Techniken gar nicht simulieren.
  • Es ermöglicht eine detaillierte Analyse der physikalischen Gegebenheiten des Systems.
  • CFD ermöglicht die Modellierung von Temperaturschwankungen und –unterschieden zwischen dem Auslass und der umgebenden Luft – was im Windkanal und mit einfachen numerischen Methoden unmöglich ist.
  • Es basiert nicht auf empirischen Daten, was aus Anwenderperspektive sehr attraktiv ist.
  • CFD ermöglicht eine sehr gute visuelle Darstellung, was es den Kunden einfacher macht, die Daten jederzeit zu verstehen.

Trotzdem steigerte sich die Nutzung von CFD für Wind und Chemikalienverteilung bisher nur zögerlich. Ein Punkt ist die Tatsache, dass Unternehmen bisher kaum in die für CFD notwendigen HPC-Cluster investierten. CFD erfordert signifikante Investitionen in Rechnerressourcen, um Areale von fünf oder mehr Kilometern Ausdehnung zu analysieren. Zudem ist die Analyse vieler verschiedener Windstärken und -richtungen ohne Supercomputer kaum machbar. Deshalb war bisher großes Wissen von Nöten, um die wenigen Szenarien zu identifizieren, die für möglichst viele Szenarien aussagekräftig sind.

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Nicht alles was glänzt ist Gold

Die Analyse der Genauigkeit numerischer Methoden ist eine wichtige Voraussetzung, um CFD in neue Branchen einzuführen. CFD-Validierungen mit Feldstudien für Wind und Chemikalienverteilung existieren, aber nur in kleiner Zahl. Zudem sind sie teils mehr als ein Jahrzehnt als, als die Technologie noch weit weniger fortschrittlich war. Die älteren Artikel, die diese Studien dokumentieren, arbeiten mit nicht sehr fortschrittlichen Turbulenzmodellen statt mit aktuellen Modellen wie Detached Eddy-Simulationen (DES).

Zudem war der Windkanal für viele Jahre der „Goldstandard“ und die Experten tendieren zu Windkanalstudien, weil diese als immer genau angesehen werden. Es gibt in der Literatur verschiedene Versuche, CFD- mit Windkanaldaten zu vergleichen, aber ein echter, direkter Vergleich ist nur schwer zu finden. Im Jahr 2006 verglich die EPA verschiedene Windkanalstudien mit Feldstudien und berücksichtigte dabei vor allem die Konzentration von Schadstoffen aus Kaminen (Bild 1). Die Ergebnisse sind sehr interessant, denn sie zeigen, dass die Windkanaltests nicht unbedingt als Benchmark taugen: Es gab teilweise Abweichungen im Bereich von zwei Größenordnungen zwischen den realen Daten und den als „Goldstandard“ gewerteten Windkanaldaten.

CFD bei ME/Engineering

ME/Engineering nutzt Star-CCM+ von CD-Adapco für Windstudien. Die Aufträge des Unternehmens decken eine breite Palette stationärer und nichtstationärer Anwendungsfälle ab. Typische Anwendung ist die Analyse des Schadstoffflusses aus Kaminen eines Gebäudes zu den Einlässen desselben oder anderer Gebäude. Ziel dabei ist es, die Gesundheit und Sicherheit zu verbessern und zudem die Geruchsbelastung in Gebäuden und Umgebung zu reduzieren. Mittels CFD lassen sich Schadstoffe aus vielen gleichzeitig ausstoßenden Quellen ebenso verfolgen wie die kontinuierliche Verdünnung von Tröpfchen, Gasen und Partikeln, während der virtuelle Wind sie weiterträgt.

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