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Strömungssimulation ersetzt hochkomplexe Windkanaltests

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Anwendungsfall 2: Nichtstationäre Simulation eines kompletten Systems

Durch die Leistungsfähigkeit seines Rechnerclusters ist M/E Engineering in der Lage, eine signifikante Anzahl nichtstationärer Windsimulationen in komplexen und kompletten Systemen durchzuführen, beispielsweise Studien, die viele Gebäude, mehrere Luftein- und auslässe, Fahrzeuge, Straßen oder Parkplätze umfassen. Dies bringt das Unternehmen an einen Spitzenplatz in der Industrie.

In dem konkreten Fall geht es um die Abgase eines Hubschraubers und deren mögliche Interaktion mit der Umgebung während des Schwebens und des Landeanflugs auf das Dach eines städtischen Krankenhauses. Der Zweck der Simulation war es, zu ergründen, ob die Abgase während des Schwebens und Landens die Lufteinlässe umgebender Gebäude erreichen können. Die Bewegung und das Schweben des Hubschraubers wurde in Star-CCM+ modelliert und enthielt variierende Windrichtung und -geschwindigkeit, was zu einer sehr realistischen Simulation führte.

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Simulation der Abgasverteilung

Der Kunde hatte Sorge, dass drei neu gebaute Hochhäuser in der Nachbarschaft dem Landeplatz des Hubschraubers einen so großen Windschatten bieten, dass bei der Landung die Abgase nicht mehr weggeweht werden. Ziel war es, die Menge der Abgase mit Star-CCM+ zu messen. Mittels eines Overset Mesh wurde der Hubschrauber bei einem Anflug aus 25 Grad Nord modelliert, wie er abbremst, sinkt, einen Moment schwebt und dann wieder aufsteigt, sich dreht und in eine andere Richtung abfliegt (siehe Bild 5).

Zusätzlich zu den Bewegungen und den Abgasen des Hubschraubers wurde der Abgasausstoß des Diesel-Notstromaggregats des Krankenhauses simuliert. Es zeigte sich in den Ergebnissen von Star-CCM+, dass die Abgase und der Wind des Hubschraubers eine große Wirkung auf die Abtransportrichtung der Dieselabgase haben.

Die Auswirkungen der Abgase der vier Notstromaggregate auf die Umgebung des Krankenhauses wurden ebenfalls simuliert. Star-CCM+ wurde dazu genutzt, Verdünnungen von 1.000:1, 2.000:1 und 4.000:1 zu analysieren, wobei an unterschiedlichen Stellen Daten aufgenommen und als Funktion über die Zeit für weitere Analysen bereitgestellt wurden.

Ergänzendes zum Thema
Der Knackpunkt beim Abluftschachtdesign

Der Schlüssel einer guten Konstruktion eines Auslasssystems ist es, dass die Abgase nicht in die Einlässe auf den Dächern benachbarter Gebäude eindringen. Zudem sind weitere Faktoren zu berücksichtigen, beispielsweise der Energieverbrauch, Geruch, Lärm und das Erscheinungsbild. Die Höhe, der Durchmesser und die Ausstoßrate des Kamins haben Auswirkungen auf die Höhe, Geschwindigkeit und Konzentration der Abgasfahne. All diese Parameter müssen berücksichtigt werden, um die Rezirkulation der Abgase auf dem Dach oder das Nach-unten-Saugen entlang des Kamins zu vermeiden, die zur Verschmutzung benachbarter Frischlufteinlässe führen können. Die Simulation von Wind und Chemikalienverteilung lässt sich ebenso wie Windkanalversuche dazu nutzen, die Konzentration von Abgasen in der Umgebung vorherzusagen. Auf dieser Basis lassen sich Kamine und Abluftschächte entsprechend konstruieren oder anpassen.

CFD simuliert komplexe Situationen mit Bewegung

Studien zu Wind und Chemikalienverteilung werden regelmäßig genutzt, um die Auswirkungen von neuen oder renovierten Bauten, die chemische Dämpfe ausstoßen, auf die Umgebung zu analysieren. Es existieren verschiedene Technologien für das Erstellen solcher Studien, die sich in Bezug auf Genauigkeit, Kosten, Komplexität und Verständlichkeit sehr unterscheiden.

CFD sticht aus diesen Technologien hervor durch seine Fähigkeit, sehr komplexe Situationen inklusive Bewegung und Temperaturaustausch zu simulieren. Dies ist mit weniger fortschrittlichen numerischen Methoden oder Windkanalversuchen nicht möglich. Zudem ermöglicht CFD einen detaillierten Einblick in die physikalischen Abläufe in der Simulation und es bietet mit seinen Postprocessingwerkzeugen viele Möglichkeiten, die Ergebnisse für den Kunden optisch ansprechend aufzubereiten. (mz)

* Scott Reynolds, M/E Engineering

* Sabine Goodwin, CD-Adapco

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