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Advanced Fluid Engineering Komponenten und Systeme besser verstehen, analysieren, und optimieren

Am CC FNUM werden unterschiedliche Software-Pakete eingesetzt, um Strömungssimulationen durchzuführen. Zudem werden numerische Methoden entwickelt, um effizienter und spezifischer simulieren zu können. Diese Resultate bilden die Grundlage, um Strömungsverhältnisse zu optimieren.

Vergleich der Wirbelstärken bei grossen Distanzen zwischen dem gängigen SST Modell und dem gekoppelten Reynolds-Stress Modell.
Entwicklung eines gekoppelten Reynolds-Stress Turbulenzmodells zur Berechnung von Wirbelstrukturen. Hier: Randwirbel eines NACA0012 Flügelprofils.
Mittels eines neuartigen Ansatzes zur Modellierung von Mehrphasenströmungen ist es möglich Kavitationsgebiete rechnerisch zu bestimmen. In der oberen Bildreihe sind Simulationsresultate abgebildet, welche für eine Pumpe in verschiedenen Betriebspunkten das Kavitationsgebiet (gelb) aufzeigen. Diese stimmen gut mit den experimentellen Beobachtungen in der unteren Bildreihe überein.
Simulation eines Pumpenlaufrads mit Hilfe der Lattice Boltzmann Methode.
Tip gap vortex structures (colored with vorticity) and reduced total pressure contour plot for a centrifugal compressor. The results for two different RANS turbulence models are presented.   Left picture: Full Reynolds stress model   Right picture: Standard SST k-omega

Wozu CFD-Simulationen?

Die numerische Strömungsberechnung (CFD) eignet sich bestens zur Analyse und Optimierung von Strömungen in einzelnen Komponenten und ganzen Systemen. Die Auswirkung von geometrischen Modifikationen kann quantitativ mit hoher Treffsicherheit vorhergesagt werden, dies auch in Fällen, in denen eine absolute Vorhersage unsicher bleibt. Detaillierte Parameterstudien sind in numerischen Simulationen einfacher umzusetzen als in Experimenten.

Komplexe multiphysikalische Modellierungen sind im Trend und werden für verschiedenste Strömungen eingesetzt. Kommerziell verfügbare Software ist nicht immer in der Lage die Phänomene, welche von Interesse sind, genügend genau zu erfassen. Deswegen werden am CC FNUM spezifische CFD Modelle und Solver entwickelt, welche solche Lücken schliessen. Hier einige Beispiele:

  • hochspezialisierte Turbulenzmodelle zur Berechnung von komplexen Wirbelstrukturen
  • neuartige Mehrphasenströmungs-Ansätze zur Analyse von Kavitation in Pumpen und Turbinen 
  • GPU basierte Lattice-Boltzmann Löser für die Erfassung von Turbomaschinen-Instabilitäten
  • Anwendung von Fluid-Struktur-Interaktionen in hochdynamischen Apparaten

Mit den enorm rasch wachsenden Rechnerkapazitäten gehört die Zukunft der numerischen Strömungsberechnung. Das CC Fluidmechanik und numerische Methoden konnte die Rechnerkapazität des eigenen Clusters während den letzten Jahren stetig ausbauen. Mittlerweile werden über 200 Prozessoren mit insgesamt mehr als 1800 Cores und 7.6 TB RAM für die Durchführung von komplexer werdenden Strömungssimulationen eingesetzt. Damit können Modelle mit bis zu 100 Mio. Knoten verarbeitet werden. Um die dadurch entstandenen Datenmengen speichern zu können, wurde die Speicherkapazität auf über 130 TB erweitert.

Kontakt

Prof. Dr. Ernesto Casartelli

Leiter Forschungsgruppe Advanced Fluid Engineering

+41 41 349 32 36

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