Numerische Strömungssimulation
Die numerische Strömungssimulation (englisch: computational fluid dynamics, CFD) ist eine etablierte Methode der Strömungsmechanik.
Sie hat das Ziel mit numerischen Methoden ein vorgegebenes strömungsmechanisches Problem zu lösen. Die meisten Problemstellungen befassen sich konkret mit der Lösung der dreidimensionalen Navier-Stokes-Gleichungen. Es handelt sich hierbei um ein System von nichtlinearen partiellen Differentialgleichungen 2. Ordnung, die ein newtonsches Fluid komplett beschreiben.
Bewährte Lösungsmethoden der numerischen Strömungsmechanik sind:
- die Finite-Differenzen-Methode (FDM)
- die Finite-Volumen-Methode (FVM)
- die Finite-Elemente-Methode (FEM)
- die Spektralmethode
- die Lattice-Boltzmann-Methode (LBM)
- die Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)
- die Randelementmethode (boundary element method, BEM)
Bei allen Methoden handelt es sich um numerische Näherungsverfahren, die zur Validierung häufig mit quantitativen Experimenten verglichen werden. Die Basis der oben genannten Methoden ist die Diskretisierung des Problems mit einem Rechengitter.
Bei turbulenten Strömungen gibt es für die Numerische Strömungssimulation noch viele offene Fragen: Entweder man verwendet sehr feine Rechengitter wie bei der direkten numerischen Simulation oder man verwendet mehr oder weniger empirische Turbulenzmodelle, bei denen neben numerischen Fehlern zusätzliche Modellierungsfehler auftreten. Einfache Probleme können auf Highend-PCs in Minuten gelöst werden, während komplexe 3D-Probleme selbst auf Großrechnern teilweise kaum zu lösen sind.
Software
Verbreitete kommerzielle Programmpakete zur numerischen Strömungssimulation sind
- FLUENT von der Firma Fluent Inc. FLUENT
- FLOW-3D von der Firma Flow Science Inc. FLOW-3D
- CFX von der Firma Ansys Inc. CFX
- STAR-CD von der Firma CD-adapco CD-adapco
Eine grosse Anzahl weiterer kommerzieller und freier CFD-Programme (Open Source Free Software) (bspw. The Gerris Flow Solver) ist erhältlich.