3D CFD

Eine Anfangsbedingung beschreibt den Startzustand einer Simulation. Sie legt zu Beginn z.B. Druck, Geschwindigkeit, Temperatur, Turbulenzgrößen oder Konzentrationen im Rechengebiet fest. Bei stationären Simulationen beeinflusst sie vor allem die Stabilität und Geschwindigkeit der Konvergenz. Bei transienten Simulationen kann sie auch den berechneten zeitlichen Verlauf und Übergangszustand wesentlich beeinflussen.

Eine CFD-Simulation berechnet das Verhalten von Fluiden wie Luft, Wasser, Öl, Kühlmittel oder Gasen mit numerischen Verfahren. Typische Ergebnisgrößen sind Geschwindigkeit, Druck, Temperatur, Druckverlust, Massenstrom, Kräfte und Wärmeübergang. Die Simulation basiert auf physikalischen Erhaltungsgleichungen, die auf einem Rechennetz gelöst werden. In der industriellen Entwicklung wird CFD genutzt, um Bauteile und Systeme vor dem Bau oder Testen zu bewerten und zu optimieren.

Diskretisierung bedeutet, kontinuierliche Gleichungen, Geometrien und Felder in berechenbare Einzelwerte zu überführen. In der CFD werden dazu Rechengebiet, Zeit und physikalische Gleichungen in Zellen, Zeitschritte und algebraische Gleichungen zerlegt. Erst dadurch kann ein Computer die Strömung numerisch berechnen. Die Diskretisierung beeinflusst Genauigkeit, Stabilität, Rechenzeit und mögliche numerische Fehler einer Simulation.

Energieerhaltung beschreibt die Bilanz von innerer Energie, kinetischer Energie, Wärme und Arbeit in einem System. In CFD wird sie benötigt, wenn Temperaturänderungen, Wärmeübertragung, Kompressibilität, Reibungswärme oder chemische Reaktionen eine Rolle spielen. Für reine isotherme Strömungen kann die Energiegleichung teilweise entfallen. Bei Kühlung, Verbrennung, Wärmetauschern und Hochgeschwindigkeitsströmungen ist sie dagegen zentral.

Die Energiegleichung beschreibt, wie Energie in einer Strömung transportiert, gespeichert und umgewandelt wird. Sie wird aktiviert, wenn Temperaturen, Wärmeübergänge, Verdichtung, Expansion oder thermische Quellen berücksichtigt werden müssen. In Kühl- und Thermomanagement-Simulationen ist sie unverzichtbar. Sie koppelt das Strömungsfeld mit dem Temperaturfeld und ermöglicht die Bewertung thermischer Belastungen.

Erhaltungsgleichungen beschreiben, dass physikalische Größen wie Masse, Impuls und Energie in einem System bilanziert werden müssen. In der CFD werden diese Gleichungen auf viele kleine Zellen des Rechennetzes angewendet. Dadurch entsteht ein großes Gleichungssystem, das numerisch gelöst wird. Die Qualität einer CFD-Simulation hängt stark davon ab, ob diese Erhaltungsgleichungen physikalisch sinnvoll modelliert und numerisch stabil gelöst werden.

Die Finite-Differenzen-Methode ersetzt Ableitungen in Differentialgleichungen durch Differenzen zwischen benachbarten Gitterpunkten. Sie ist mathematisch anschaulich und historisch eine wichtige Grundlage numerischer Strömungsberechnung. Für einfache und strukturierte Rechengitter kann sie sehr effizient sein. Bei komplexen Industriegeometrien wird jedoch häufig die Finite-Volumen-Methode bevorzugt, weil sie flexibler mit unstrukturierten Netzen umgehen kann.

Die Finite-Elemente-Methode zerlegt ein Gebiet in kleine Elemente und nähert die gesuchten Größen über Ansatzfunktionen an. Sie ist besonders aus der Strukturmechanik und Festigkeitsberechnung bekannt. Auch Strömungs- und Wärmeprobleme können mit der Finite-Elemente-Methode berechnet werden. In der industriellen CFD ist sie jedoch je nach Software und Anwendung weniger dominant als die Finite-Volumen-Methode.

Die Finite-Volumen-Methode ist ein numerisches Verfahren, bei dem das Rechengebiet in kleine Kontrollvolumen unterteilt wird. Die Erhaltungsgleichungen werden über jedes dieser Volumen bilanziert. Dadurch eignet sich die Methode besonders gut für Strömungsprobleme, bei denen Massen-, Impuls- und Energieerhaltung exakt eingehalten werden sollen. Viele industrielle CFD-Programme verwenden die Finite-Volumen-Methode als zentrale Diskretisierungsmethode.

Fluiddynamik ist der Teil der Strömungsmechanik, der bewegte Fluide betrachtet. Sie beschäftigt sich mit Strömungsgeschwindigkeiten, Beschleunigungen, Druckfeldern, Wirbeln, Turbulenz und Energieübertragung. In der CFD ist Fluiddynamik der zentrale physikalische Hintergrund für die Berechnung technischer Strömungen. Der Begriff wird vor allem verwendet, wenn die Bewegung des Fluids im Vordergrund steht.

Eine Gitterkonvergenzstudie untersucht systematisch, wie sich das Simulationsergebnis bei zunehmender Netzverfeinerung verändert. Sie dient dazu, den Diskretisierungsfehler abzuschätzen und die numerische Qualität einer Simulation zu bewerten. Im Unterschied zur einfachen Plausibilitätsprüfung betrachtet sie gezielt den Einfluss des Rechengitters auf die Lösung. Für kritische Entwicklungsentscheidungen ist eine Gitterkonvergenzstudie ein wichtiger Nachweis für die Robustheit der Simulation.

Die Grenzschichtauflösung beschreibt, wie fein das Rechennetz die Strömung nahe an Wänden abbildet. In der Grenzschicht ändern sich Geschwindigkeit, Turbulenzgrößen und Temperatur oft sehr stark über eine kleine Distanz. Eine gute Grenzschichtauflösung ist entscheidend für Wandreibung, Druckverlust, Wärmeübergang, Strömungsablösung und aerodynamische Kräfte. Je nach Modellierungsansatz wird die Grenzschicht entweder wandaufgelöst oder über Wandfunktionen angenähert.

Impulserhaltung beschreibt, wie sich die Bewegung eines Fluids durch Kräfte ändert. Dazu gehören Druckkräfte, Reibungskräfte, Trägheitskräfte und ggf. äußere Kräfte wie Gravitation oder Rotation. In der CFD ist die Impulserhaltung die Grundlage für Geschwindigkeitsfelder, Druckverteilungen, Schubspannungen und Strömungskräfte. Sie erklärt z.B., warum Druckverluste entstehen oder warum eine Strömung an einer Wand ablöst.

Die Impulsgleichung beschreibt die Bewegung eines Fluids unter dem Einfluss von Kräften. Sie berücksichtigt u.a. Druckgradienten, Reibung, Beschleunigung und äußere Kräfte. In ihrer viskosen Form ist sie eng mit den Navier-Stokes-Gleichungen verbunden. Für industrielle CFD-Simulationen ist sie eine der zentralen Gleichungen zur Berechnung von Druckfeldern, Geschwindigkeiten, Kräften und Verlusten.

Konjugierte Wärmeübertragung beschreibt die gekoppelte Berechnung von Strömung im Fluid und Wärmeleitung im Festkörper. Dadurch kann simuliert werden, wie ein Fluid ein Bauteil erwärmt oder kühlt und wie sich die Wärme im Material ausbreitet. CHT ist wichtig, wenn Wandtemperaturen nicht einfach vorgegeben werden können, sondern aus der Wechselwirkung zwischen Fluid und Bauteil entstehen. Typische Beispiele sind Kühlkanäle, Kühler, Batteriekühlplatten, Motorkomponenten und Turbomaschinen.

Die Kontinuitätsgleichung ist die mathematische Form der Massenerhaltung. Sie stellt sicher, dass in der Simulation keine unphysikalische Masse entsteht oder verschwindet. Bei inkompressiblen Strömungen führt sie vereinfacht dazu, dass das Geschwindigkeitsfeld divergenzfrei sein muss. In CFD-Lösern ist die Kontinuitätsgleichung eng mit der Druck-Geschwindigkeits-Kopplung verbunden.

Kontinuumsmechanik beschreibt Materie als kontinuierlich verteiltes Medium, statt einzelne Moleküle zu betrachten. Diese Annahme erlaubt es, Strömungen mit Feldern wie Druck, Temperatur, Dichte und Geschwindigkeit zu beschreiben. Für die meisten technischen CFD-Anwendungen ist diese Betrachtungsweise sehr gut geeignet. Nur bei sehr kleinen Skalen, extrem verdünnten Gasen oder molekularen Effekten stößt die Kontinuumsannahme an Grenzen.

Massenerhaltung bedeutet, dass Masse in einem abgeschlossenen System weder erzeugt noch vernichtet wird. Für Strömungen heißt das, dass Massenströme an Einlässen, Auslässen und im Rechengebiet konsistent bilanziert werden müssen. In der CFD ist die Massenerhaltung besonders wichtig für Druckverlustanalysen, Durchströmung, Leckagepfade und Kühlkreisläufe. Fehler in der Massenbilanz sind ein starkes Warnsignal für ein numerisches oder modelltechnisches Problem.

Die Navier-Stokes-Gleichungen beschreiben die Impulserhaltung in viskosen Fluiden. Sie bilden zusammen mit der Kontinuitätsgleichung und ggf. der Energiegleichung die wichtigste mathematische Grundlage der CFD. In ihnen werden Druckkräfte, Trägheitskräfte, Reibungskräfte und äußere Kräfte bilanziert. Da die Gleichungen für reale technische Strömungen meist nicht analytisch lösbar sind, werden sie in der CFD numerisch gelöst.

Netzgenerierung bezeichnet die Erstellung des Oberflächen- und Volumennetzes für eine CFD-Simulation. Dabei wird die CAD-Geometrie so aufbereitet, dass daraus ein numerisch berechenbares Rechennetz entsteht. Ziel ist ein Netz, das die relevanten Strömungsbereiche ausreichend genau auflöst und gleichzeitig wirtschaftlich berechenbar bleibt. Eine gute Netzgenerierung ist oft entscheidender für die Ergebnisqualität als eine nachträgliche Änderung einzelner Löserparameter.

Netzqualität beschreibt, wie geeignet ein Rechennetz für eine stabile und genaue numerische Berechnung ist. Wichtige Kriterien sind z.B. Zellverzerrung, Seitenverhältnis, Orthogonalität, Glattheit der Zellgrößenänderung und Grenzschichtauflösung. Schlechte Netzqualität kann zu Konvergenzproblemen, unphysikalischen Ergebnissen oder erhöhter numerischer Diffusion führen. Deshalb ist die Prüfung der Netzqualität ein fester Bestandteil eines seriösen CFD-Workflows.

Eine Netzunabhängigkeitsstudie prüft, ob ein CFD-Ergebnis noch stark von der gewählten Netzauflösung abhängt. Dazu werden Simulationen mit unterschiedlich feinen Netzen verglichen. Wenn sich zentrale Ergebnisgrößen wie Druckverlust, Kraft, Massenstrom oder Wärmeübergang bei weiterer Verfeinerung kaum noch ändern, gilt das Ergebnis als weitgehend netzunabhängig. Solche Studien erhöhen die Belastbarkeit und Nachvollziehbarkeit von CFD-Ergebnissen.

Numerische Strömungsmechanik ist das Fachgebiet, das Strömungen mit mathematischen Modellen und rechnergestützten Lösungsverfahren untersucht. Sie kombiniert Strömungsmechanik, Thermodynamik, Mathematik, Numerik und Softwaretechnik. Das Ziel ist, Strömungsfelder und thermische Vorgänge in technischen Systemen berechenbar zu machen. In der Praxis wird der Begriff häufig synonym mit CFD verwendet.

Das Oberflächennetz beschreibt die Geometrie eines Bauteils oder Rechengebiets mit kleinen Flächenzellen. Es bildet Kanten, Rundungen, Öffnungen, Wandflächen und Details der CAD-Geometrie für die CFD ab. Ein sauberes Oberflächennetz ist die Grundlage für ein stabiles und hochwertiges Volumennetz. Fehler im Oberflächennetz, z.B. Lücken, Überschneidungen oder stark verzerrte Flächen, können die gesamte Simulation beeinträchtigen.

Eine Prismenschicht ist eine geordnete Zellschicht direkt an festen Wänden. Sie wird verwendet, um den wandnahen Bereich der Strömung besser aufzulösen, insbesondere Grenzschichten, Wandreibung und Wärmeübergang. Prismenschichten sind in der industriellen CFD wichtig, weil viele relevante Verluste und thermische Effekte direkt an Oberflächen entstehen. Ihre Höhe, Anzahl und Wachstumsrate müssen zum Turbulenzmodell und zum gewünschten y+-Bereich passen.

Eine Randbedingung legt fest, wie das Rechengebiet mit seiner Umgebung verbunden ist. Sie definiert z.B., wie Fluid eintritt, austritt oder sich an festen Wänden verhält. Typische Randbedingungen sind Einlass, Auslass, Wand, Symmetrieebene oder periodische Randbedingung. Falsch gewählte Randbedingungen können auch bei gutem Netz zu physikalisch falschen Ergebnissen führen.

Das Rechengebiet ist der räumliche Bereich, der in einer CFD-Simulation berechnet wird. Es kann z.B. der Innenraum eines Rohres, der Motorraum eines Fahrzeugs, ein Kühlluftkanal oder die Umgebung eines Fahrzeugs sein. Die Wahl des Rechengebiets beeinflusst Randbedingungen, Rechenzeit und Ergebnisqualität. Ein zu kleines Rechengebiet kann die Strömung künstlich beeinflussen, ein zu großes erhöht unnötig den Rechenaufwand.

Das Rechennetz unterteilt das Rechengebiet einer CFD-Simulation in viele kleine Zellen oder Elemente. In diesen Zellen werden Größen wie Druck, Geschwindigkeit, Temperatur oder Turbulenzgrößen numerisch berechnet. Die Netzauflösung bestimmt, wie gut lokale Gradienten, Grenzschichten, Wirbel oder enge Spalte erfasst werden. Ein zu grobes Netz kann wichtige Strömungseffekte übersehen, während ein zu feines Netz Rechenzeit und Speicherbedarf stark erhöht.

Strömungsmechanik ist die Lehre vom Verhalten von Flüssigkeiten und Gasen. Sie beschreibt, wie Druck, Geschwindigkeit, Dichte, Viskosität und Kräfte in ruhenden oder bewegten Fluiden zusammenhängen. Sie bildet die physikalische Grundlage für CFD-Simulation, Aerodynamik, Hydraulik, Kühlung und viele Maschinenbauanwendungen. Ohne strömungsmechanisches Verständnis lassen sich CFD-Ergebnisse nur schwer korrekt bewerten.

Eine Strömungssimulation beschreibt, wie sich ein Fluid durch eine Geometrie oder um ein Bauteil bewegt. Sie zeigt z.B. Beschleunigungen, Totwassergebiete, Rezirkulationen, Strömungsablösungen und Druckverluste. Je nach Fragestellung kann die Simulation stationär, transient, isotherm oder mit Wärmeübertragung durchgeführt werden. Strömungssimulationen werden u.a. in Automotive, Motorsport, Energietechnik, Maschinenbau und Anlagenbau eingesetzt

Eine thermische Simulation berechnet Temperaturen, Wärmeströme und Wärmeverteilungen in Bauteilen oder Gesamtsystemen. Sie wird eingesetzt, um Hotspots, thermische Überlastung, Aufheizverhalten oder Kühlbedarf zu erkennen. In Verbindung mit CFD kann zusätzlich der Einfluss von Luft- oder Flüssigkeitsströmungen auf die Temperaturverteilung bewertet werden. Typische Anwendungen sind Batteriekühlung, Leistungselektronik, Motorkühlung, Wärmetauscher und Fahrzeug-Thermomanagement.

Das Volumennetz füllt das Rechengebiet mit dreidimensionalen Zellen aus. In diesen Zellen werden die Strömungsgleichungen numerisch gelöst und die Ergebnisgrößen berechnet. Die Zellform und Zellverteilung müssen zur Geometrie und zur erwarteten Strömung passen. Besonders in Grenzschichten, engen Spalten, Umlenkungen oder Bereichen mit starken Gradienten ist eine gezielte Netzverfeinerung wichtig.

Der Wandabstand y+ ist eine dimensionslose Kennzahl für die Lage der ersten Zellmitte relativ zur Wand. Er verbindet die physikalische Wandnähe mit lokaler Strömungsgeschwindigkeit, Dichte und Viskosität. In der CFD zeigt y+, ob die wandnahe Strömung direkt aufgelöst wird oder ob eine Wandfunktion verwendet werden sollte. Ein ungeeigneter y+-Bereich kann Wandreibung, Wärmeübergang und Ablösungsvorgänge deutlich verfälschen.

Eine Wandfunktion ist ein Modell für den wandnahen Bereich einer turbulenten Strömung. Sie ersetzt die sehr feine direkte Auflösung der viskosen Unterschicht durch eine empirisch oder halbempirisch beschriebene Wandbehandlung. Dadurch kann die Zellzahl deutlich reduziert werden, was industrielle CFD-Simulationen wirtschaftlicher macht. Wandfunktionen sind jedoch nur zuverlässig, wenn Netz, y+-Bereich, Turbulenzmodell und Strömungssituation zusammenpassen.

Eine Wärmeübertragungssimulation untersucht, wie Wärme durch Wärmeleitung, Konvektion oder Wärmestrahlung transportiert wird. In technischen Systemen treten diese Mechanismen oft gleichzeitig auf und beeinflussen die Temperaturverteilung stark. Besonders wichtig ist die Wärmeübertragungssimulation bei Kühlkonzepten, Wärmetauschern, thermisch belasteten Bauteilen und fluiddurchströmten Komponenten. Sie hilft, Kühlleistung, Bauteiltemperaturen und thermische Sicherheitsreserven zu bewerten.

Die Zellgröße beschreibt die räumliche Auflösung des Rechennetzes in einer CFD-Simulation. Kleine Zellen können lokale Gradienten, Grenzschichten, Wirbel, enge Spalte oder starke Temperaturänderungen genauer erfassen. Gleichzeitig erhöhen kleinere Zellen die Zellzahl, die Rechenzeit und den Speicherbedarf. Eine gute Zellgrößenverteilung ist daher immer ein Kompromiss zwischen Genauigkeit und wirtschaftlichem Simulationsaufwand.