3D CFD

Ein Abbruchkriterium legt fest, wann eine Simulation oder ein Iterationsprozess beendet wird. Typische Kriterien sind ausreichend kleine Residuen, stabile Monitorwerte, erreichte physikalische Zeit oder eine maximale Iterationszahl. In der industriellen CFD sollten Abbruchkriterien nicht nur mathematisch, sondern auch technisch begründet sein. Entscheidend ist, ob die relevanten Ergebnisgrößen für die Fragestellung ausreichend stabil und belastbar sind.

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 Auslassrandbedingung beschreibt, wie Fluid das Rechengebiet verlässt. Häufig wird ein statischer Druck, ein Massenstrom oder eine spezielle Behandlung für Rückströmung definiert. Die Lage des Auslasses sollte so gewählt werden, dass sie die interessierende Strömung nicht künstlich beeinflusst. Besonders bei Rezirkulation, instationärer Strömung oder mehreren Auslässen ist die Auslassrandbedingung ein wichtiger Stabilitäts- und Qualitätsfaktor.

Eine automatisierte CFD-Simulation nutzt standardisierte Abläufe für Geometrievorbereitung, Vernetzung, Randbedingungen, Berechnung und Auswertung. Dadurch können Varianten schneller, konsistenter und mit geringerem manuellem Aufwand berechnet werden. Automatisierung ist besonders wertvoll bei Parameterstudien, Designstudien, Optimierung und Surrogatmodellen. Sie reduziert Bedienfehler und macht CFD besser in moderne Entwicklungsprozesse integrierbar.

CFD-Postprocessing bezeichnet die Auswertung und Darstellung der berechneten Simulationsergebnisse. Dazu gehören Schnittebenen, Stromlinien, Druck- und Temperaturfelder, Kraftauswertungen, Massenbilanzen, Diagramme und Vergleichstabellen. Gutes Postprocessing macht aus Rohdaten technische Erkenntnisse. Entscheidend ist nicht nur ein schönes Strömungsbild, sondern die belastbare Interpretation der relevanten Ergebnisgrößen.

CFD-Preprocessing umfasst alle Arbeitsschritte vor der eigentlichen Berechnung. Dazu gehören Geometrieaufbereitung, Definition des Rechengebiets, Vernetzung, Materialauswahl, Randbedingungen, physikalische Modelle und Löserkonfiguration. Die Qualität des Preprocessings entscheidet maßgeblich darüber, ob eine Simulation stabil läuft und technisch sinnvolle Ergebnisse liefert. Viele CFD-Probleme entstehen nicht im Löser, sondern bereits durch falsche Annahmen im Preprocessing.

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.

Die CFL-Zahl, auch Courant-Zahl genannt, beschreibt, wie weit sich eine Strömungsinformation innerhalb eines Zeitschritts relativ zur Zellgröße bewegt. Sie verbindet damit Zeitschrittweite, lokale Geschwindigkeit und Netzauflösung. In transienten CFD-Simulationen ist sie ein wichtiges Kriterium für Stabilität und zeitliche Genauigkeit. Hohe CFL-Werte können je nach Löser und Verfahren zulässig sein, müssen aber bewusst bewertet werden.

Eine Designstudie untersucht verschiedene konstruktive Varianten mit Hilfe von Simulationen. Ziel ist es, geometrische oder funktionale Änderungen hinsichtlich Strömung, Druckverlust, Wärmeübertragung, Kräften oder Bauraum zu bewerten. Im Unterschied zur einfachen Parameterstudie steht meist der Vergleich konkreter Designvarianten im Vordergrund. Designstudien unterstützen frühe Entwicklungsphasen, weil sie Optimierungspotenziale vor dem Bau von Prototypen sichtbar machen.

Dichte beschreibt die Masse eines Fluids pro Volumen. Sie ist eine zentrale Materialgröße für Massenstrom, Auftrieb, Druckkräfte, Trägheit und Kompressibilität. Bei Flüssigkeiten ist die Dichte oft näherungsweise konstant, bei Gasen hängt sie stark von Druck und Temperatur ab. In CFD-Simulationen ist die richtige Dichtemodellierung besonders wichtig bei kompressiblen Strömungen, natürlicher Konvektion, Mehrphasenströmungen und Wärmeübertragung.

Ein dichtebasierter Löser verwendet die Dichte bzw. konservative Variablen als zentrale Lösungsgrößen. Er ist besonders geeignet für kompressible Strömungen, hohe Mach-Zahlen, starke Druckwellen und Stoßphänomene. Solche Löser werden häufig in Hochgeschwindigkeitsaerodynamik, Düsenströmungen, Turbomaschinen oder kompressiblen Gasströmungen eingesetzt. Für langsame inkompressible Strömungen ist ein druckbasierter Löser oft effizienter.

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.

Druckabfall beschreibt die Druckdifferenz zwischen zwei Punkten oder Flächen in einer Strömung. Der Begriff wird in der Praxis oft ähnlich wie Druckverlust verwendet. Technisch ist es sinnvoll zu unterscheiden: Druckabfall ist zunächst eine messbare Differenz, während Druckverlust den irreversiblen Energieverlust der Strömung meint. In CFD-Auswertungen sollte daher klar definiert werden, ob statischer Druck, totaler Druck oder ein gemittelter Druck verglichen wird.

Ein druckbasierter Löser verwendet den Druck als zentrale Kopplungsgröße zwischen Kontinuitäts- und Impulsgleichung. Er wird häufig für inkompressible und schwach kompressible Strömungen eingesetzt. Typische Anwendungen sind Kühlströmungen, Innenströmungen, Aerodynamik bei niedriger Mach-Zahl und viele industrielle Strömungsprobleme. Bei stark kompressiblen Strömungen oder Stoßwellen kann ein dichtebasierter Löser geeigneter sein.

Das Druckfeld beschreibt die räumliche Verteilung des statischen oder totalen Drucks in einer Strömung. Es ist wichtig für die Bewertung von Druckverlusten, Kräften, Auftrieb, Abtrieb, Durchströmung und Belastung von Bauteilen. Druckgradienten treiben Strömungen an und können gleichzeitig Ablösungen oder ungünstige Rückströmungen verursachen. In technischen CFD-Projekten ist das Druckfeld oft eine zentrale Grundlage für Optimierung und Auslegung.

Druckverlust beschreibt den irreversiblen Verlust mechanischer Energie in einer Strömung. Er entsteht durch Reibung, Umlenkungen, Querschnittsänderungen, Einbauten, Turbulenz oder Ablösung. In CFD-Projekten ist Druckverlust eine der wichtigsten Zielgrößen bei Kanälen, Kühlern, Filtern, Ventilen, Abgasanlagen und Ansaugsystemen. Ein niedriger Druckverlust reduziert den Leistungsbedarf von Pumpen, Lüftern oder Verdichtern.

Die dynamische Viskosität beschreibt den inneren Reibungswiderstand eines Fluids gegen Scherung. Je höher die dynamische Viskosität ist, desto stärker widersteht das Fluid einer relativen Bewegung benachbarter Schichten. Sie beeinflusst Grenzschichten, Druckverlust, Reynolds-Zahl und Wärmeübertragung. In CFD muss die dynamische Viskosität korrekt als Materialeigenschaft oder temperaturabhängige Funktion definiert werden.

Eine Einlassrandbedingung beschreibt, wie Fluid in das Rechengebiet eintritt. Je nach Fragestellung werden z.B. Massenstrom, Volumenstrom, Geschwindigkeit, Gesamtdruck, statischer Druck, Temperatur oder Turbulenzgrößen vorgegeben. Die Einlassrandbedingung sollte den realen Betriebszustand möglichst gut abbilden. Ungenaue Einlassdaten können Druckverluste, Durchströmung, Kühlleistung und Strömungsablösungen im Ergebnis stark beeinflussen.

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.

Ein entkoppelter Löser berechnet die Gleichungen nacheinander statt gleichzeitig. Dadurch ist der Speicherbedarf oft geringer und der Ansatz kann für viele industrielle Anwendungen sehr effizient sein. Die Kopplung zwischen den Gleichungen wird iterativ hergestellt, z.B. zwischen Druck und Geschwindigkeit. Bei stark gekoppelten oder numerisch schwierigen Fällen kann ein entkoppelter Löser jedoch mehr Iterationen benötigen.

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.

Ein gekoppelter Löser berechnet mehrere Gleichungen, z.B. Druck und Geschwindigkeit, gleichzeitig in einem gemeinsamen Lösungsverfahren. Dadurch kann die Kopplung zwischen den physikalischen Größen robuster und schneller erfasst werden. Gekoppelte Löser sind oft vorteilhaft bei stark gekoppelten Strömungen, schwieriger Konvergenz oder kompressiblen Effekten. Sie benötigen jedoch häufig mehr Speicher und können pro Iteration rechenintensiver sein.

Das Geschwindigkeitsfeld zeigt Richtung und Betrag der lokalen Strömungsgeschwindigkeit im gesamten Rechengebiet. Es macht sichtbar, wie das Fluid durch Kanäle, Kühler, Öffnungen, Motorraumbereiche oder um Außenflächen strömt. Aus dem Geschwindigkeitsfeld lassen sich Beschleunigungen, Totzonen, Rezirkulationen und ungleichmäßige Durchströmungen erkennen. Es ist eine der wichtigsten Ergebnisgrößen jeder CFD-Simulation.

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.

Eine instationäre Simulation beschreibt eine Strömung, deren Größen sich mit der Zeit ändern. Sie wird benötigt, wenn Wirbelablösung, Pulsationen, Druckwellen, bewegte Bauteile, Lastwechsel oder periodische Vorgänge das Ergebnis beeinflussen. Im Vergleich zur stationären Simulation ist sie meist deutlich rechenintensiver. Dafür liefert sie zeitabhängige Informationen, die für viele reale Betriebszustände entscheidend sind.

Eine Iteration ist ein einzelner numerischer Lösungsschritt innerhalb einer CFD-Berechnung. Bei stationären Simulationen nähert sich die Lösung über viele Iterationen einem stabilen Zustand an. Bei transienten Simulationen können zusätzlich innere Iterationen innerhalb eines Zeitschritts erforderlich sein. Die Anzahl der Iterationen beeinflusst Rechenzeit, Konvergenz und die Genauigkeit der gekoppelten Gleichungslösung.

Die kinematische Viskosität ist das Verhältnis aus dynamischer Viskosität und Dichte. Sie beschreibt, wie stark sich viskose Impulseffekte im Fluid ausbreiten. Die kinematische Viskosität ist besonders wichtig für die Reynolds-Zahl und damit für die Einordnung von laminarer, turbulenter oder übergangsartiger Strömung. In Gasen und Flüssigkeiten kann sie sich durch Temperatur- und Dichteänderungen deutlich unterscheiden.

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.

Konvergenz bedeutet, dass sich die numerische Lösung mit weiteren Iterationen nur noch geringfügig verändert. In der CFD wird Konvergenz häufig über Residuen, stabile Massenströme, konstante Kräfte, Druckverluste oder Temperaturen bewertet. Eine formal konvergierte Simulation ist jedoch nicht automatisch physikalisch richtig. Deshalb müssen numerische Konvergenz, Plausibilität und ggf. Vergleich mit Messdaten immer zusammen betrachtet werden.

Der Löser ist der numerische Algorithmus, der die Gleichungssysteme einer CFD-Simulation berechnet. Er bestimmt, wie Druck, Geschwindigkeit, Temperatur, Turbulenzgrößen und weitere Variablen miteinander gekoppelt und gelöst werden. Die Wahl des Lösers hängt stark von Strömungsart, Kompressibilität, Mach-Zahl, Netzqualität und Stabilitätsanforderungen ab. Ein ungeeigneter Löser kann zu schlechter Konvergenz, hoher Rechenzeit oder unzuverlässigen Ergebnissen führen.

Die Mach-Zahl ist das Verhältnis der lokalen Strömungsgeschwindigkeit zur lokalen Schallgeschwindigkeit. Sie beschreibt, ob Kompressibilitätseffekte in einer Gasströmung relevant sind. Bei niedrigen Mach-Zahlen kann eine Strömung oft näherungsweise inkompressibel behandelt werden, bei höheren Mach-Zahlen werden Dichteänderungen, Druckwellen und Stoßphänomene wichtig. In CFD beeinflusst die Mach-Zahl die Wahl von Löser, Randbedingungen und physikalischen Modellen.

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.

Der Massenstrom gibt an, welche Masse eines Fluids pro Zeit durch eine Fläche, einen Kanal oder ein Bauteil strömt. Er wird typischerweise in Kilogramm pro Sekunde angegeben. In CFD ist der Massenstrom eine zentrale Größe für Einlass- und Auslassrandbedingungen, Massenbilanzen, Kühlkreisläufe und Turbomaschinen. Eine konsistente Massenstrombilanz ist ein wichtiger Plausibilitätscheck für die Simulation.

Ein Messdatenabgleich vergleicht Simulationsergebnisse mit realen Messungen. Ziel ist es, Modellannahmen, Randbedingungen, Materialdaten, Turbulenzmodelle oder Wärmeübergangsansätze zu überprüfen und ggf. anzupassen. Ein guter Messdatenabgleich erhöht das Vertrauen in die Simulation und verbessert ihre Vorhersagefähigkeit. Besonders bei Motoren, Kühlsystemen, Aerodynamik und thermischen Anwendungen ist er ein zentraler Schritt im Entwicklungsprozess.

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 Diffusion ist eine künstliche Glättung der Lösung, die durch Diskretisierung und numerische Verfahren entstehen kann. Sie kann Gradienten, Wirbel, Scherschichten oder Temperaturunterschiede abschwächen. In der Praxis kann dadurch eine Strömung stabiler erscheinen, aber physikalisch zu stark verschmiert werden. Besonders bei Konvektion, instationären Strukturen und groben Netzen muss numerische Diffusion kritisch bewertet werden.

Numerische Dissipation beschreibt die künstliche Dämpfung von Schwankungen oder Strukturen durch das numerische Verfahren. Sie kann helfen, eine Simulation stabil zu halten, kann aber auch reale instationäre Strukturen zu stark abschwächen. Der Begriff wird besonders bei transienten Simulationen, Turbulenz, Akustik und Wirbelstrukturen relevant. Eine gute CFD-Einstellung vermeidet unnötige numerische Dissipation, ohne die Stabilität der Rechnung zu gefährden.

Numerische Genauigkeit beschreibt, wie nahe die berechnete Lösung an der mathematisch und physikalisch erwarteten Lösung liegt. Sie wird von Netzauflösung, Zeitschrittweite, Diskretisierungsschema, Konvergenz und Modellannahmen beeinflusst. Hohe numerische Genauigkeit bedeutet nicht automatisch hohe physikalische Genauigkeit, wenn Randbedingungen oder Modelle falsch gewählt sind. Deshalb muss numerische Genauigkeit immer zusammen mit Validierung und Plausibilitätsprüfung betrachtet werden.

Numerische Stabilität beschreibt, ob eine Simulation ohne unkontrolliertes Anwachsen von Fehlern berechnet werden kann. Sie hängt u.a. von Netzqualität, Zeitschrittweite, Löser, Diskretisierung, Randbedingungen und Relaxationsparametern ab. Eine instabile Simulation zeigt sich häufig durch steigende Residuen, unphysikalische Werte oder Abbruch des Lösers. Numerische Stabilität ist Voraussetzung für belastbare Ergebnisse, garantiert aber noch keine physikalische Richtigkeit.

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 Parameterstudie vergleicht mehrere Simulationen, bei denen gezielt einzelne Parameter verändert werden. Beispiele sind unterschiedliche Massenströme, Öffnungsquerschnitte, Wandtemperaturen, Geometrievarianten oder Betriebszustände. Sie zeigt, wie sich technische Zielgrößen wie Druckverlust, Kühlleistung, Kraft oder Temperatur ändern. Parameterstudien sind ein wichtiges Werkzeug, um Zusammenhänge zu verstehen und Entwicklungsentscheidungen datenbasiert zu treffen.

Eine periodische Randbedingung koppelt zwei zueinander passende Flächen so, dass sich die Strömung periodisch fortsetzt. Sie wird verwendet, wenn eine Geometrie aus wiederkehrenden Segmenten besteht, z.B. bei Schaufelkanälen, Rohrsegmenten, Wärmetauscherstrukturen oder rotierenden Maschinen. Dadurch muss nur ein repräsentativer Ausschnitt berechnet werden. Die periodische Annahme ist nur sinnvoll, wenn Geometrie und Betriebsbedingungen tatsächlich wiederholbar sind.

Eine Plausibilitätsprüfung bewertet, ob CFD-Ergebnisse technisch sinnvoll und physikalisch nachvollziehbar sind. Dabei werden z.B. Massenbilanzen, Druckniveaus, Strömungsrichtungen, Temperaturen, Kräfte und Größenordnungen geprüft. Sie ist auch dann notwendig, wenn Residuen niedrig und die Simulation formal konvergiert ist. In der industriellen Praxis ist die Plausibilitätsprüfung ein wichtiger Schutz vor schön aussehenden, aber falschen Simulationsergebnissen.

Die Prandtl-Zahl ist eine dimensionslose Kennzahl, die Impulstransport und Wärmetransport in einem Fluid vergleicht. Sie hängt von Viskosität, Wärmeleitfähigkeit, Dichte und Wärmekapazität ab. Eine niedrige Prandtl-Zahl bedeutet, dass Wärme relativ schnell diffundiert, eine hohe Prandtl-Zahl deutet auf stärkeren Impulstransport gegenüber Wärmediffusion hin. In CFD ist sie wichtig für Wärmeübertragung, Grenzschichten und thermische Ähnlichkeitsbetrachtungen.

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.

Ein Residuum ist ein Maß dafür, wie gut die diskretisierten Gleichungen in der aktuellen Lösung erfüllt sind. Sinkende Residuen zeigen, dass der numerische Fehler innerhalb der Gleichungslösung kleiner wird. Für sich allein reichen Residuen aber nicht aus, um die Qualität einer CFD-Simulation zu beurteilen. Wichtige technische Zielgrößen wie Druckverlust, Kraft, Massenstrom oder Temperatur müssen ebenfalls stabil und plausibel sein.

Die Reynolds-Zahl ist eine dimensionslose Kennzahl, die das Verhältnis von Trägheitskräften zu viskosen Kräften beschreibt. Sie hilft einzuschätzen, ob eine Strömung eher laminar, turbulent oder im Übergangsbereich ist. Die Reynolds-Zahl hängt von Geschwindigkeit, charakteristischer Länge, Dichte und Viskosität ab. In CFD ist sie wichtig für Turbulenzmodellierung, Ähnlichkeitsbetrachtungen, Grenzschichten und die Übertragbarkeit von Versuchen auf reale Systeme.

Schubspannung ist eine tangential wirkende Spannung, die durch Reibung und Geschwindigkeitsgradienten im Fluid entsteht. Sie beschreibt, wie stark benachbarte Fluidschichten oder Fluid und Wand aneinander ziehen. In der Strömungsmechanik ist sie wichtig für Reibungsverluste, Wandbelastung, Grenzschichten und viskose Effekte. In CFD kann Schubspannung im Fluid oder direkt an Wänden ausgewertet werden.

Eine Sensitivitätsanalyse untersucht, wie stark ein Simulationsergebnis auf Änderungen einzelner Eingangsgrößen reagiert. Typische Parameter sind Randbedingungen, Materialdaten, Netzauflösung, Turbulenzmodell, Geometrievarianten oder Betriebszustände. Dadurch lässt sich erkennen, welche Einflussgrößen für das Ergebnis wirklich entscheidend sind. Sensitivitätsanalysen helfen, robuste Designs zu entwickeln und unnötige Detailoptimierung an unwichtigen Parametern zu vermeiden.

Eine stationäre Simulation berechnet einen zeitlich unveränderlichen oder zeitlich gemittelten Zustand. Sie eignet sich, wenn die relevanten Ergebnisgrößen nicht wesentlich von zeitabhängigen Effekten abhängen. Typische Anwendungen sind viele Druckverlustanalysen, mittlere Durchströmungen, stationäre Kühlfälle oder erste Designvergleiche. Bei stark pulsierenden, ablösenden oder bewegten Strömungen kann eine stationäre Simulation jedoch wichtige Effekte übersehen.

Das Strömungsfeld beschreibt die räumliche Verteilung der Strömungsgrößen in einem Rechengebiet. Dazu gehören insbesondere Geschwindigkeit, Druck, Temperatur, Turbulenzgrößen und ggf. Konzentrationen. In der CFD wird das Strömungsfeld für jede Zelle des Rechennetzes berechnet. Seine Analyse zeigt, wo Beschleunigungen, Ablösungen, Rezirkulationen, Verluste oder ungleichmäßige Durchströmungen auftreten.

Die Strömungsgeschwindigkeit beschreibt, wie schnell und in welche Richtung sich ein Fluid lokal bewegt. In CFD wird sie als Geschwindigkeitsfeld im gesamten Rechengebiet berechnet. Sie beeinflusst Druckverlust, Wärmeübergang, Mischverhalten, Turbulenz und Kräfte auf Bauteile. Besonders hohe oder sehr ungleichmäßige Strömungsgeschwindigkeiten können auf Engstellen, Fehlverteilung, Ablösung oder ungünstige Geometrien hinweisen.

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

Strömungswiderstand beschreibt, wie stark ein Bauteil, Kanal oder System die Bewegung eines Fluids behindert. Er entsteht durch Reibung, Formgebung, Umlenkungen, Einbauten oder Strömungsablösung. Ein hoher Strömungswiderstand führt meist zu höherem Druckverlust und größerem Energiebedarf. In der Produktentwicklung wird Strömungswiderstand gezielt reduziert, um Effizienz, Durchsatz, Kühlleistung oder aerodynamische Performance zu verbessern.

Eine Symmetrieebene nutzt geometrische und physikalische Symmetrie, um nur einen Teil des Systems zu simulieren. Dadurch lassen sich Zellzahl, Rechenzeit und Speicherbedarf deutlich reduzieren. Die Symmetrieebene ist nur zulässig, wenn Geometrie, Randbedingungen und erwartete Strömung tatsächlich symmetrisch sind. Wird sie falsch eingesetzt, können asymmetrische Effekte wie Wirbel, Ablösungen oder Querströmungen künstlich unterdrückt werden.

Das Temperaturfeld beschreibt die räumliche Verteilung der Temperatur in einem Rechengebiet. In CFD-Simulationen zeigt es, wo Bauteile, Fluide oder Grenzflächen warm oder kalt sind. Es ist besonders wichtig bei Kühlung, Wärmetauschern, Batterien, Motoren, Leistungselektronik und thermisch belasteten Bauteilen. Aus dem Temperaturfeld lassen sich Hotspots, Temperaturgradienten und die Wirksamkeit eines Kühlkonzepts bewerten.

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.

Eine transiente Simulation berechnet den zeitlichen Verlauf einer Strömung, Temperaturverteilung oder Systemantwort. Der Begriff wird in der Praxis oft ähnlich wie instationäre Simulation verwendet, betont aber besonders Übergänge zwischen Zuständen. Beispiele sind Aufheizvorgänge, Lastsprünge, Druckaufbau, Startvorgänge oder zeitabhängige Kühlung. Die Zeitschrittweite und Anfangsbedingung haben dabei großen Einfluss auf Stabilität und Aussagekraft der Ergebnisse.

Das Turbulenzfeld beschreibt die räumliche Verteilung turbulenter Größen in einer Strömung. Dazu gehören z.B. turbulente kinetische Energie, turbulente Viskosität, Dissipationsrate oder spezifische Dissipationsrate. In der industriellen CFD wird Turbulenz meist nicht vollständig aufgelöst, sondern über Turbulenzmodelle beschrieben. Das Turbulenzfeld beeinflusst Mischung, Impulsaustausch, Wärmeübergang, Druckverlust und Strömungsablösung.

Unterrelaxation ist eine numerische Dämpfung, bei der Änderungen einer Lösung pro Iteration bewusst begrenzt werden. Sie wird verwendet, um instabile oder stark schwankende Lösungsverläufe zu beruhigen. Besonders bei stationären Simulationen mit schwieriger Kopplung kann Unterrelaxation die Konvergenz verbessern. Zu starke Unterrelaxation macht die Simulation jedoch langsam, während zu schwache Unterrelaxation zu Divergenz führen kann.

Validierung prüft, ob ein Simulationsmodell die reale Physik ausreichend gut abbildet. Dazu werden CFD-Ergebnisse mit Messdaten, Prüfstandsdaten, Windkanaldaten oder bekannten Referenzfällen verglichen. Validierung beantwortet die Frage, ob das richtige Modell für die reale Aufgabe verwendet wird. Sie ist besonders wichtig, wenn Simulationsergebnisse für Entwicklungsentscheidungen, Auslegung oder Nachweise genutzt werden.

Verifikation prüft, ob das Simulationsmodell numerisch korrekt gelöst wurde. Dabei geht es um Aspekte wie Netzqualität, Konvergenz, Zeitschritt, Diskretisierung und mögliche Bedien- oder Implementierungsfehler. Verifikation beantwortet die Frage, ob die Gleichungen richtig gerechnet wurden. Sie unterscheidet sich von Validierung, denn ein numerisch korrekt gelöstes Modell kann trotzdem physikalisch ungeeignet sein.

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 Volumenstrom gibt an, welches Fluidvolumen pro Zeit durch eine Fläche oder Leitung strömt. Er wird z.B. in Kubikmeter pro Sekunde oder Liter pro Minute angegeben. Im Unterschied zum Massenstrom hängt der Volumenstrom bei Gasen stark von Druck, Temperatur und Dichte ab. In der Praxis wird er häufig bei Lüftern, Pumpen, Kühlluftpfaden, Rohrleitungen und Prüfstandsbedingungen verwendet.

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 Wandrandbedingung beschreibt das Verhalten des Fluids an festen Oberflächen. Sie legt z.B. Haftbedingung, Wandbewegung, Rauheit, Wandtemperatur, Wärmestrom oder thermische Kopplung fest. In der CFD ist die Wandrandbedingung besonders wichtig, weil Wandreibung, Druckverlust und Wärmeübergang direkt an Oberflächen entstehen. Bei bewegten Wänden, rotierenden Bauteilen oder thermisch aktiven Wänden muss sie sorgfältig definiert werden.

Wandschubspannung ist die Schubspannung direkt an einer festen Oberfläche. Sie entsteht durch die Haftbedingung und den Geschwindigkeitsgradienten in der wandnahen Grenzschicht. In CFD ist sie wichtig für Reibungswiderstand, Druckverlust, Wärmeübergang, Erosion, Ablagerungen und Strömungsablösung. Eine korrekte Berechnung der Wandschubspannung erfordert passende Grenzschichtauflösung, y+-Werte und Wandbehandlung.

Der Wärmestrom beschreibt, wie viel Wärmeenergie pro Zeit übertragen wird. Er wird typischerweise in Watt angegeben und ist damit eine Leistung. In thermischen Simulationen ist der Wärmestrom wichtig, um Kühlleistung, Wärmeabfuhr und thermische Lasten zu quantifizieren. Er sollte nicht mit der Wärmestromdichte verwechselt werden, die sich auf eine Fläche bezieht und meist in Watt pro Quadratmeter angegeben wird.

Der Wärmeübergangskoeffizient beschreibt, wie gut Wärme zwischen einer Wand und einem strömenden Fluid übertragen wird. Er hängt stark von Strömungsgeschwindigkeit, Turbulenz, Fluiddaten, Geometrie und Wandnähe ab. In CFD wird er häufig verwendet, um Kühlleistung, Bauteiltemperaturen und Wärmetauscherverhalten zu bewerten. Ein hoher Wärmeübergangskoeffizient bedeutet nicht automatisch ein gutes Gesamtsystem, weil auch Druckverlust und Temperaturdifferenz berücksichtigt werden müssen.

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.

Der Widerstandsbeiwert ist eine dimensionslose Kennzahl für den Strömungswiderstand eines Körpers oder Bauteils. In der Aerodynamik wird er häufig als cW-Wert bzw. drag coefficient verwendet. Er erlaubt den Vergleich unterschiedlicher Geometrien unabhängig von Geschwindigkeit, Dichte und Referenzfläche. In der CFD wird der Widerstandsbeiwert genutzt, um aerodynamische Varianten, Gehäuse, Fahrzeuge oder Strömungskörper objektiv zu bewerten.

Der Zeitschritt ist der zeitliche Abstand zwischen zwei berechneten Zuständen in einer transienten CFD-Simulation. Er bestimmt, wie fein zeitabhängige Vorgänge wie Druckwellen, Wirbelablösung, Pulsationen oder Aufheizvorgänge aufgelöst werden. Ein zu großer Zeitschritt kann wichtige Dynamik glätten oder numerische Instabilitäten verursachen. Ein zu kleiner Zeitschritt erhöht dagegen die Rechenzeit, ohne zwangsläufig bessere technische Aussagen zu liefern.

Die Zeitschrittweite beschreibt die Größe eines einzelnen Zeitschritts in einer zeitabhängigen Simulation. Sie muss zur Strömungsgeschwindigkeit, Zellgröße und zur relevanten physikalischen Zeitskala passen. Besonders bei bewegten Geometrien, akustischen Effekten, schnellen Lastwechseln oder instationären Wirbeln ist die Wahl der Zeitschrittweite entscheidend. Häufig wird sie über die CFL-Zahl, Konvergenz innerhalb des Zeitschritts und Vergleich mit Messdaten bewertet.

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.