Exkurs: Anmerkungen zu CFD-Simulationen

• Etablierte Methode der numerischen Strömungsmechanik
• Ziel: Lösung strömungsmechanischer Probleme approximativ mit numerischen Methoden
• Die benutzten Modellgleichungen sind meist
  • Navier-Stokes-Gleichungen,
  • Euler-Gleichungen,
  • Stokes-Gleichungen oder
  • Potentialgleichungen.
• Das umfassendste Modell sind die Navier-Stokes-Gleichungen. Es handelt sich hierbei um ein System von nicht-linearen partiellen Differentialgleichungen 2. Ordnung. Insbesondere sind auch Turbulenz und die hydrodynamische Grenzschicht enthalten, was allerdings zu höchsten Ansprüchen an Rechnerleistung, Speicher und die numerischen Verfahren führt.
• Bei allen Methoden handelt es sich um numerische Näherungsverfahren, die zur Validierung mit quantitativen Experimenten verglichen werden müssen.

• stationär:

  zeit-unabhängig

• quasi-stationär:

  Annahme: zeitliche Änderungen = eine Aufeinanderfolge von stationären Zuständen

• instationär:

  zeit-abhängig; beschreibt einen Zustand, wo zeitliche Änderungen nicht vernachlässigbar sind

• transient:

  Berücksichtigung zeitabhängiger Einflüsse;
  Transiente Phänomene: Aufheizung, Abkühlung, Anfahrvorgänge, Eisbildung, Einschwingvorgänge

• Definition der zu betrachtenden Szenarien
• Randbedingungen und Annahmen
  (z.B. Oberflächentemperaturen auf dem Rand des Rechengebietes, die Eintritts- und Austrittsöffnungen und Volumenströme und deren Temperatur)
• Definition der geometrischen Modelle, Optimierung der Zellen zwecks numerischer Stabilität
• Thermische Eigenschaften der Materialien
• Stabilitätsanalyse und dann Berechnungen
• Auswertung und Visualisierung der Berechnungsergebnisse (z.B. Stromlinien)
• Kalibrierung der Berechnungsergebnisse

• Die meisten Simulationsfälle können mit einer stationären (ausgeprägten) Strömung abgebildet werden, die Rechenzeit bis zur Konvergenz beträgt i.d.R 1 Stunde.
  Oft reicht es nämlich, erst einmal stationäre konvektive Berechnungen auszuführen, um die grobe Auswirkung der Variablen zu finden. Diese Art der Berechnungen ist stabiler und führt schneller zu Ergebnissen. Ab einem gewissen zeitlichen Konvergenzwert zeigen diese Berechnungen eine ausgeprägte Strömung. Das gilt vor allem für Gebäudemodelle die i.d.R. keine rotierenden oder dynamischen geometrischen Körper haben.
• Transiente (dynamische) Berechnungen mit der Berücksichtigung der Konvektion liefern oft zeitliche lokale Variationen der physikalischen Werte (Temperatur und Windgeschwindigkeit im 3D-Raum) bis zum Erreichen einer ausgeprägten bzw. stationären Strömung.
  Diese Berechnungen sind allerdings aufwendig und instabil und liefern letztendlich nur jeweils einen Momentan-Zustand der vorgenannten physikalischen Werte.
  Instationäre Modelle erfordern einen sehr hohen Rechen- und Zeitaufwand (oft mehrere Tage Rechenzeit bis genügend Daten vorliegen).
• Strömung ist in den meisten Gebäudemodellen inkompressibel, turbulent Link
• Einige Turbulenzmodelle wie z.B. Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS) [k-omega SST ] eignen sich für konvektive Strömung Link
• Convective Heat Transfer (konvektive Wärmeübertragung) berücksichtigt auch den thermischen Einfluss auf die Strömung Link
• Bei Anströmung eines Gebäudes wird auf der Eingangsseite (Inlet) des Kontrollvolumens (Umfasst das Gebäude um ein Mehrfaches des Gebäudes) ein Geschwindigkeitsprofil angesetzt, z.B. logarithmisches Windprofil Link
• Bei Anströmung eines Gebäudes wird auf der Ausgangsseite (Outlet) des Kontrollvolumens ein Druckausgleich angesetzt (0 Pa)
• Beim Einströmung in ein Gebäude (ein geschlossenes oder offenes Kontrollvolumen) wird ein Massenstrom (mean flow rate) angesetzt
• Beim Ausgang aus einem Gebäude gilt entweder ein Druckausgleich (0 Pa) oder ein Über-/ Unter-Druck (+/- Pa)
• Randbedingungen wie Temperatur, Wärmequellen und Strahlung werden durch ein geeignetes Strahlungs- und Wärmeübertragungsmodell berechnet und in die CFD-Randbedingungen eingetragen.

Diese erfolgen in drei großen Schritten:

I

Vorberechnungen
Ziele:

• Erstellung eines einfachen geometrischen Modells, typischerweise mit BIM. Details sollten möglichst eliminiert werden, da diese zu numerischen Instabilitäten und langen Rechenzeiten führt
• Feststellung des rechnerischen Aufwandes bzgl. der Generierung des geometrischen Netzes und der Konfiguration der Solver (Lösungsalgorithmen).
• Grobe Abschätzung des Einflusses von Gebäudebesonderheiten auf Luftströmungs-, Druck- und Temperaturverteilung.

Resultate:

• optimiertes geometrisches Modell für die Netzgenerierung
• Erste qualitative Aussagen über Drücke, Strömungs- und Temperaturverhalten
• Endgültige Festlegung der Anzahl Kombinationen möglicher Szenarien für Berechnungen im Schritt II

II

Stationäre Simulationen: Kombinationsmöglichkeiten möglicher Szenarien.
Erste stationäre Berechnungen (vereinfachtes Modell) zeigen oft bereits deutliche Trends.

III

Transiente Simulationen
Aus den Berechnungsergebnissen von einigen Variationen des Schritts II werden Extrema ausgewählt und in einigen Fällen z.B. die lokalen zeitabhängigen Variationen der Temperatur-Gradiente, der Druckprofile und des Geschwindigkeitsfeldes U (x,y,z) durchgeführt.
Wenn alle stationären Berechnungen des Schritts II aber bereits deutlich Trends zeigen, ist es oft sinnvoll, keine weiteren transienten Berechnungen durchzuführen und stattdessen noch zusätzliche Situationen im stationären Bereich zu untersuchen.

Mögliche Aufgabenstellungen für CFD-Simulationen