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Computational Fluid Dynamics

Einsatzgebiete

  • Turbomaschinen
  • Windenergieanlagen
  • Biomedizintechnik
  • allgemeine verfahrenstechnische Strömungen 

Beschreibung

Die Computational Fluid Dynamics (CFD; deutsch: numerische Strömungsmechanik) umfasst rechnerbasierte, numerische Verfahren zur approximativen Abbildung strömungsmechanischer Fragestellungen. Die zugrunde liegenden Modellgleichungen sind meist die Navier-Stokes-Gleichungen. Für spezielle Anwendungen werden aber auch die einfacheren Euler- und Potentialgleichungen genutzt. Die Berücksichtigung der Turbulenz der Strömung erfolgt in industriellen Anwendungen typischerweise auf Basis einer statistischen, zeitlichen Mittelung der Navier-Stokes-Gleichungen (Reynolds-Averaged Navier-Stokes; RANS) unter Verwendung zusätzlicher Turbulenzmodelle. Turbulenzauflösende Verfahren wie die Direkte Numerische Simulation (DNS) und die Large Eddy Simulation (LES) weisen hingegen deutliche höhere Rechenzeiten auf, erlauben aber auch eine detailliertere Abbildung der kleinskaligen strömungsphysikalischen Effekte.

Am Institut für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik wird die CFD unter anderem im Rahmen der Auslegung und Analyse von Strömungsmaschinen eingesetzt. Darüber hinaus werden strömungsmechanische Grundlagenuntersuchungen mittels LES und DNS durchgeführt. Je nach Anwendungsgebiet werden unterschiedlichste Programmpakete zur Strömungssimulation eingesetzt. Zur Ausbildung qualifizierten ingenieurwissenschaftlichen Nachwuchses wird in jedem Semester ein CFD-Seminar für Studierende angeboten.

Softwarepakete

 Adapco StarCCM+

StarCCM+ ist ein auf der Finite-Volumen-Methode basierender kommerzieller Strömungslöser. Im Institut für Turbomaschinen und Fluid-Dynamik wird diese Software hauptsächlich zur Berechnung von Zweiphasenströmungen und der Durchströmung von porösen Medien im Forschungsbereich Biomedizintechnik eingesetzt. Für die Modellierung der Zweiphasenströmungen wird die Volume-of-Fluid Methode (VoF) genutzt. STAR-CCM+ bietet Möglichkeiten zur individuellen Erweiterung durch die Implementierung von Benutzer-definierten Funktionen (engl.: user functions). Es können z.B. physikalische Eigenschaften, Gitterbewegungen und Zeitschrittgröße in eigenen Funktionen zur Laufzeit berechnet und dem Programm zurückgegeben werden. Diese Funktionen werden über die GUI in das CFD-Modell eingebunden.

ANSYS CFX

CFX ist ein kommerzieller Löser für instationäre dreidimensionale Ein- und Mehrphasenströmungen. Er wird im TFD für die Simulation von Abgasturboladern, Axialmaschinen, Windenergieanlagen und generellen strömungsmechanischen Problemstellungen eingestetzt.

FLOWer

FLOWer ist ein strukturierter RANS-Löser, der vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) speziell für Außenströmungen entwickelt wurde. In FLOWer können stationäre und instationäre Simulationen unter Verwendung von verschiedenen Turbulenzmodellen durchgeführt werden. Durch die Chimera-Technologie ist es in FLOWer möglich, mehrere Netze relativ zueinander zu bewegen und die Strömungsgrößen für das gesamte Feld zu bestimmen.

LESSOCC2

LESOCC2 (Large-Eddy Simulation On Curvlinear Coordinates) ist ein vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelter Strömungslöser. Es wird die dreidimensionale, instationäre, gefilterte und inkompressible Navier-Stokes Gleichung gelöst. Kleinskalige Turbulenzen werden durch das Smagorinsky-Modell modelliert.

MISES

MISES ist ein vom  Massachusetts Institute of Technology entwickeltes Analyse- und Auslegungswerkzeug für Turbomaschinenkaskaden. Es basiert auf einer zonalen Kopplung von viskoser Grenzschicht- und Nachlaufströmung und reibungsfreier Außenströmung. Es wird am TFD in der Vorauslegung verwendet und wurde außerdem um eine Modellierung zur Wiedergabe des Einflusses von Riblets auf die Grenzschicht erweitert. 

Numeca FINE Turbo

Insbesondere für CFD-Simulationen von axialen und radialen Turbomaschinen wird am TFD das kommerzielle CFD-Paket FINE/Turbo von Numeca eingesetzt. Der in FINE/Turbo mit enthaltende Vernetzer IGG/Autogrid erlaubt auch eine schnelle, durch Templates unterstützte, Vernetzung dreidimensionaler und komplexer Geometrien wie nicht rotationssymmetrische Nabenkonturierungen, Kühlgeometrien in Turbinenschaufeln und Kavitäten.

OpenFOAM

OpenFOAM ist ein Open Source Simulationspaket für jegliche kontinuumsmechanische Problemstellungen. Es basiert auf einer unstrukturierten finiten Volumen Methode , beinhaltet eine Vielzahl von Lösern und erlaubt darüber hinaus die objektorientierte Programmierung eigner Löser. Im TFD wird OpenFOAM für Large-Eddy-Simulation eingesetzt.

TRACE

TRACE (Turbomachinery Research Aerodynamic Computational Environment) ist ein vom DLR Institut für Antriebstechnik und der MTU Aero Engines entwickeltes Programmsystem zur Simulation von dreidimensionalen instationären Strömungen in Turbomaschinen. Das TFD setzt TRACE in einer Vielzahl von Forschungsprojekten zur Simulationen von sämtlichen thermischen Turbomaschinen ein. Das Anwendungsspektrum reicht hierbei von kompakten Verdichtern, über Test-Rigs bis hin zu ganzen Triebwerksturbinen. Darüber hinaus werden am TFD physikalische Modelle für Turbulenz und Transition entwickelt.

XFoil

Für die Berechnung der aerodynamischen Profilbeiwerte (Auftrieb und Widerstand) von Windenergieanlagen wird am TFD XFOIL verwendet. XFOIL basiert auf einem Panel-Verfahren und wurde am Massachusetts Institute of Technology (MIT) zum Entwurf und zur Analyse von subsonisch umströmten Tragflügelprofilen entwickelt.

Ansprechpartner

Dr.-Ing. Florian Herbst