Autodesk Simulation CFD Advanced
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Inhalt Erweitertes Simulationsspektrum 3 Anwendungsbereiche in Elektrik und Beleuchtung 4 Strahlung 4 Instationäre Strömungen 5 Joulesche Erwärmung 6 Erwärmung durch Sonneneinstrahlung 7 Anwendungsbereiche in Mechanik und Industrie 8 Instationäre Strömungen 8 Kompressible Strömung 9 Strahlung 10 Erwärmung durch Sonneneinstrahlung 11 Kavitation 12 Joulesche Erwärmung 13 Modell für skalare Vermischung 14 Wasserdampf 15 Luftfeuchtigkeit 16 Druckschlag (kompressible Flüssigkeitsströmungen) 17 Anwendungsbereiche in Architektur, Ingenieur- und Bauwesen 18 Strahlung 18 Instationäre Strömungen 19 Erwärmung durch Sonneneinstrahlung 20 Luftfeuchtigkeit 21 2
Erweitertes Simulationsspektrum Autodesk Simulation CFD Advanced eignet sich speziell für Einsatzbe- reiche, in denen komplexere physikalische Modelle erforderlich sind, und erweitert die Simulationsfunktionalität von Autodesk Simulation CFD durch zusätzliche Funktionen für Strömungs- und Wärmeanalysen. Erweiterte Strömungsanalyse Erweiterte Wärmeübertragung Erweiterte Bedingungen Kompressible Überschallströmungen Interne Wärmeübertragung durch Strahlung Relative Luftfeuchtigkeit Instationäre Strömungen (zeitabhängig) Strahlung durch durchlässige Medien Dampfgehalt Zweiphasenströmungen (Mischung aus Flüssigkeit Thermische Belastung durch Sonneneinstrahlung Füllstand und Gas/Dampf) Temperaturabhängiger Emissionsgrad Zeitabhängige Randbedingungen Formulierung der Fluidhöhe Joulesche Erwärmung mit temperaturabhängigem Stromstärke Modell für skalare Vermischung zweier Fluids spezifischem Widerstand Stromspannung Kompressible Flüssigkeitsströmungen (Druckschlag) Kavitation 3
Anwendungsbereiche in Elektrik und Beleuchtung Für Konstrukteure in der Elektronikindustrie liegt eine der zentralen Aufgabenstellungen darin, sicherzustellen, dass die Komponenten ihre maximale Betriebstemperatur nicht überschreiten. Darüberhin- aus müssen sie auch der Nachfrage nach einer zunehmenden Minia- turisierung von Geräten bei gleichzeitig steigender Leistungsfähigkeit Rechnung tragen. Im Bereich Beleuchtung wird der Markt derzeit von umweltfreundlichen LED-Lösungen angeführt. Allerdings wird bei LEDs ein hoher Anteil der zugeführten Gesamtenergie in Wärme um- gewandelt, obwohl LEDs im Vergleich zu anderen Leuchtmitteln bei wesentlich niedrigeren Temperaturen betrieben werden müssen. Daher zählt das Thema Wärmemanagement zu den wesentlichen Herausforderungen in der Beleuchtungsindustrie. Strahlung Was ist Strahlung? Wofür wird Strahlung benötigt? Wozu kann man Strahlung nutzen? Strahlung ist eine Art der Wärmeübertragung zwi- Wärmeübertragung durch Strahlung ist für die Das Strahlungsmodell in Autodesk Simulation CFD schen Oberflächen, die eine direkte Sichtlinie auf- Leistung vieler elektronischer Geräte und Gehäuse ist ein robustes Modell, das die Entwicklung hoch weisen. Im Gegensatz zu Wärmeleitung oder Kon- wesentlich. In Hochtemperaturanwendungen lässt präziser Lösungen unterstützt. Mithilfe der Be- vektion erfordert Strahlung kein Medium, wie z. B. sich durch die Einbeziehung von Strahlung häufig rechnung eines Sichtfaktors erzeugt das Strah- einen Feststoff oder ein Trägergas. Stattdessen eine höhere Präzision realisieren. lungsmodell eine exakte Energiebilanz und ver- wird Wärme mittels elektromagnetischer Wellen stärkt die Reziprozität zwischen Festkörpern. Wird der Faktor Strahlung jedoch außer Acht ge- im leeren Raum ausgestrahlt. lassen, kann dies zu ungenauen Temperaturprog- Einsatzmöglichkeiten für das Strahlungsmodell: nosen und damit fehlerhaften Konstruktionsent- • Genaue Temperaturprognosen in anspruchsvollen scheidungen führen. Anwendungsbereichen mit hoher Wattleistung, wie z. B. Telekommunikationsgeräten, Ausstat- tung in Rechenzentren sowie LED-Vorrichtungen • Berücksichtigung des temperaturabhängigen Emissionsgrads zur Simulation der Wirkung von spektraler Strahlung • Exaktere Simulation von Komponenten durch Be- stimmung der Emissionseigenschaften von Fest- körpern 4
Anwendungsbereiche in Elektrik und Beleuchtung Instationäre Strömungen Was sind instationäre Strömungen? Wofür werden instationäre Strömungen benötigt? Wozu kann man instationäre Strömungen nutzen? Prozesse, die instationär (oder transient) sind, ver- Das Wissen um die Auswirkungen von zeitabhängi- Die Funktionseinheit für instationäre Strömungen ändern sich im Zeitablauf. Im Gegensatz zu einem gen Schwankungen, wie z. B. oszillierende Strö- lässt sich in vielen verschiedenen Anwendungsbe- Prozess im stationären Zustand verändern sich die mungen, ist eine wesentliche Voraussetzung für reichen gewinnbringend einsetzen. Strömungsverteilung und Temperatur von einem fundierte Konstruktionsentscheidungen. Bei Dazu zählen: Moment auf den anderen. Autodesk Simulation Änderungen der Strömungsmenge im Zeitablauf CFD verwendet ein implizites Zeitschrittverfahren bietet das Modul für instationäre Strömungen • Verwendung transienter Randbedingungen zum für die Berechnung der zeitabhängigen Lösung. wertvolle Informationen in Bezug auf die Strö- Variieren der Strömungs- oder Wärmemenge, die mungsentwicklung sowie die Reaktion des Sys- in oder aus einem Gehäuse strömt. Da viele tems auf veränderte Eingaben. Wird die einem Systeme auf zyklischen Eingaben basieren, lassen Gerät hinzugefügte bzw. entzogene Wärmemenge sich mit dem Modul für instationäre Strömungen mit einer transienten Randbedingung gesteuert, unterschiedliche Eingaben simulieren. gestaltet sich die Prognoseerstellung anhand manueller Berechnungen oder Versuchsmethoden • Simulation der Auswirkungen einer Aktivierung deutlich schwieriger. bzw. Deaktivierung von wärmeabgebenden Kom- ponenten zu einem bestimmten Zeitpunkt sowie Bewertung der Wärmeauswirkung dieser Kompo- nenten auf das gesamte System. • Überprüfung des zeitlichen Verlaufs anhand von Animationen, die Ergebnisse anschaulich darstellen. Austausch der Ergebnisse in verschiedenen For- maten: dynamische Bilder für die Darstellung im Autodesk Simulation CFD 3D Viewer sowie als AVI und MPEG. 5
Anwendungsbereiche in Elektrik und Beleuchtung Joulesche Erwärmung Was ist Joulesche Erwärmung? Wofür wird Joulesche Erwärmung benötigt? Wozu kann man Joulesche Erwärmung nutzen? Unter der auch als Widerstandserwärmung und Je nach Einsatzbereich handelt es sich bei der Mithilfe der Jouleschen Erwärmung lässt sich das Ohmsche Erwärmung bezeichneten Jouleschen Er- Jouleschen Erwärmung entweder um ein ge- thermische Verhalten zahlreicher Geräte simulie- wärmung versteht man die Generierung von Wär- wünschtes oder um ein zu vermeidendes Ergebnis. ren. Dazu zählen elektrische Widerstandsheizun- me, die auftritt, wenn elektrischer Strom durch ein Ist die Konstruktion auf die Erzeugung von Wider- gen, Heizelemente für Kochfelder und elektrische Metallobjekt, wie z. B. einen Draht, einen elektri- standserwärmung ausgelegt, so lassen sich anhand Transformatoren. schen Steckverbinder oder das Heizelement eines des physikalischen Modells für die Joulesche Er- Kochfelds, fließt. • Angabe eines Stromstärken- oder eines Span- wärmung Informationen zu der durch das Heizele- nungsunterschieds für das Gerät ment verursachten Temperaturverteilung im Gerät gewinnen. Falls jedoch mit der Konstruktion eine • Definition der physikalischen Eigenschaften für Verringerung der Jouleschen Erwärmungseffekte den temperaturabhängigen spezifischen Wider- erreicht werden soll (wie z. B. bei elektrischen An- stand zur Erstellung einer realistischen Simulation schlüssen oder Transformatoren), lässt sich das physikalische Modell für die Joulesche Erwärmung • Visualisierung der Temperaturverteilung im zur Optimierung der Konstruktion verwenden, um Gerät und den benachbarten Komponenten im die unerwünschte Erwärmung der Komponenten System. Damit lässt sich konkret feststellen, wie zu vermeiden. effizient die Wärme aus dem Gerät entfernt wird und an andere Bereiche oder die Umgebung ab- gegeben wird. 6
Anwendungsbereiche in Elektrik und Beleuchtung Erwärmung durch Sonnen- einstrahlung Was ist Erwärmung durch Sonneneinstrahlung? Wofür wird Erwärmung durch Sonneneinstrah- Wozu kann man Erwärmung durch Sonnenein- lung benötigt? strahlung nutzen? Als Untergruppe der Wärmeübertragung durch Strahlung handelt es sich bei Erwärmung durch Das Modell für die Erwärmung durch Sonnenein- Autodesk Simulation CFD enthält ein umfassendes Sonneneinstrahlung um die Strahlungswärme der strahlung wird insbesondere für die Optimierung Werkzeugset zur exakten Angabe von Standort, Sonne. Im Gegensatz zu Wärmeleitung oder Kon- des thermischen Verhaltens von Geräten benötigt, Uhrzeit, Datum sowie Ausrichtung eines Objekts, vektion erfordert Sonneneinstrahlung kein Medium, die im Freien und damit im direktem Sonnenlicht um in zahlreichen Anwendungsbereichen präzise wie z. B. einen Feststoff oder ein Trägergas. Statt- bzw. ohne viel Schatten zum Einsatz kommen. Ergebnisse zu ermöglichen. dessen wird Wärme mittels elektromagnetischer Empfindliche Komponenten, wie z. B. Telekommu- • Bewertung der Wärmeauswirkung von thermi- Wellen im Raum ausgestrahlt. nikationsgeräte (sowohl im zivilen als auch militäri- scher Belastung durch Sonneneinstrahlung, um schen Einsatz), aber auch Gebäude und Autos sind Konstruktionsentscheidungen mit direkten Aus- rauen Bedingungen ausgesetzt, die mitunter durch wirkungen auf die Haltbarkeit und Lebensdauer die Sonne verursacht werden. Aus diesem Grund eines Produkts zu optimieren. müssen sie so konstruiert werden, dass sie hohe • Simulation der durch Schattenwurf verursachten Temperaturen und tägliche Temperaturwechsel Effekte. Die Positionierung von Objekten zuein- aushalten können. Schließlich haben diese Faktoren ander hat erheblichen Einfluss auf die Auswirkun- einen großen Einfluss auf die Lebensdauer und gen der Sonnenenergie auf andere Objekte oder Haltbarkeit eines Produkts. Geräte. • Untersuchung der langfristigen Auswirkungen der Tageserwärmung. Lufttemperatur und Emis- sionsgrad können zur Simulation der Temperatur- wechsel von Tag zu Nacht und umgekehrt variiert werden. • Präzise Angaben zum Umfang von Wolkendecke und Umgebungslicht durch Angabe der Albedo (Rückstrahlvermögen). 7
Anwendungsbereiche in Mechanik und Industrie Zu den Anwendungsbereichen in der Mechanik und Industrie zählen die Konstruktion, Integration und Leistung von wichtigen Komponenten und Systemen in Maschinen, Hydraulik, Pneumatik, Ventilen, Düsen, Öfen, Brennern und anderem technischen Equipment. Die physikali- schen Modelle in Autodesk Simulation CFD Advanced liefern ange- sichts des umfassenden Einsatzspektrums einen wesentlichen Beitrag für konstruktive Herausforderungen in Maschinenbau und Industrie. Instationäre Strömungen Was sind instationäre Strömungen? Wofür werden instationäre Strömungen benötigt? Wozu kann man instationäre Strömungen nutzen? Prozesse, die instationär (oder transient) sind, ver- Das Wissen um die Auswirkungen von zeitabhängi- Das physikalische Modell für instationäre Strö- ändern sich im Zeitablauf. Im Gegensatz zu einem gen Schwankungen, wie z. B. oszillierende Strö- mungen hat zahlreiche Vorteile: Prozess im stationären Zustand verändern sich die mungen, ist eine wesentliche Voraussetzung für Strömungsverteilung und Temperatur von einem • Variation der Strömungs- oder Wärmemenge, die fundierte Konstruktionsentscheidungen. Bei Moment auf den anderen. Autodesk Simulation in oder aus einem Gehäuse strömt, durch die Änderungen der Strömungsmenge im Zeitablauf CFD verwendet ein implizites Zeitschrittverfahren Verwendung transienter Randbedingungen. Da bietet das Modul für instationäre Strömungen für die Berechnung einer zeitabhängigen Lösung. viele Systeme auf zyklischen Eingaben basieren, wertvolle Informationen in Bezug auf die Strö- lassen sich mit dem Modul für instationäre Strö- mungsentwicklung sowie die Reaktion des Sys- mungen unterschiedliche Eingaben simulieren. tems auf veränderte Eingaben. Wird die einem Gerät hinzugefügte bzw. entzogene Wärmemenge • Simulation des Strömungsbeginns, um zu ermit- mit einer transienten Randbedingung gesteuert, teln, ob sich Druckwellen im Gerät fortsetzen gestaltet sich die Prognoseerstellung anhand und dadurch Instabilität oder sonstige Schäden manueller Berechnungen oder Versuchsmethoden verursachen. deutlich schwieriger. • Überprüfung des zeitlichen Verlaufs anhand von Animationen, die Ergebnisse anschaulich darstel- len. Austausch der Ergebnisse in verschiedenen Formaten: dynamische Bilder für die Darstellung im Autodesk Simulation CFD 3D Viewer sowie als AVI und MPEG. 8
Anwendungsbereiche in Mechanik und Industrie Kompressible Strömung Was ist kompressible Strömung? Wofür werden kompressible Strömungen Wozu kann man kompressible Strömungen benötigt? nutzen? Kompressibilität tritt in Gasströmungen mit Strö- mungsgeschwindigkeiten von über 0,8 Mach auf. Lokale Kompressibilitätseffekte treten häufig in Kompressible Hochgeschwindigkeitsgasströmun- Die Druckverteilung hat enorme Auswirkungen Bauteilen zur Durchfluss- oder Strömungsregelung gen kommen in zahlreichen industriellen und me- auf die Gasdichte, und es können Erschütterungen auf, z. B. in Düsen, Ventilen und Diffusoren. Ein chanischen Anwendungen zum Einsatz. auftreten. eingehendes Verständnis der komplexen Strö- • Verwendung des Moduls für kompressible Strö- mungsumgebungen in diesen Vorrichtungen ist mungen zum Vergleich von Konstruktionsvarianten eine wesentliche Voraussetzung für die Entwick- sowie zur präzisen, sicheren und effizienten Leis- lung leistungsfähiger und haltbarer Produkte. tungsbewertung bei Bauteilen mit hohen inter- Die experimentelle Bewertung des Strömungsver- nen Strömungsgeschwindigkeiten. haltens in Hochgeschwindigkeitsgeräten kann sich • Prognose des Druckabfalls und der Geschwindig- jedoch als sehr kostspielig und zeitraubend erwei- keitsverteilung bei Überschallgasströmungen in sen. Auch bei manuellen Berechnungen können Bauteilen zur Strömungsregelung, z. B. Düsen, Probleme auftreten. Ventilen und Diffusoren. • Visualisierung von Stoßbildung und Reflexion im Inneren von Hochleistungsgeräten. 9
Anwendungsbereiche in Mechanik und Industrie Strahlung Was ist Strahlung? Wofür wird Strahlung benötigt? Wozu kann man Strahlung nutzen? Strahlung ist eine Art der Wärmeübertragung zwi- Strahlung ist ein wesentliches Element für die Leis- Das Strahlungsmodell in Autodesk Simulation CFD schen Oberflächen, die eine direkte Sichtlinie auf- tung der meisten Anwendungen, bei denen Quel- ist ein robustes Modell, das die Entwicklung hoch weisen. Im Gegensatz zu Wärmeleitung oder Kon- len mit sehr hohen Temperaturen zum Einsatz präziser Lösungen unterstützt. Mithilfe der Be- vektion erfordert Strahlung kein Medium, wie z. B. kommen. In Hochtemperaturanwendungen lässt rechnung eines Sichtfaktors erzeugt das Strah- einen Feststoff oder ein Trägergas. Stattdessen sich durch die Einbeziehung von Strahlung häufig lungsmodell eine exakte Energiebilanz und ver- wird Wärme mittels elektromagnetischer Wellen eine höhere Präzision realisieren. stärkt die Reziprozität zwischen Festkörpern. im Raum ausgestrahlt. Wird der Faktor Strahlung jedoch außer Acht ge- • Genaue Temperaturprognosen in anspruchsvollen lassen, kann dies in vielen Einsatzbereichen zu un- Anwendungsbereichen mit starker Hitzeentwick- genauen Temperaturprognosen und damit fehler- lung, wie z. B. Hoch- und Industrieöfen sowie haften Konstruktionsentscheidungen führen. Motorräume. • Verwendung des Strahlungsmodells zur Berück- sichtigung des temperaturabhängigen Emissions- grads bei Simulationen der Wirkung von spektra- ler Strahlung. • Berechnung der Wärmeübertragung durch Strah- lung, die transparente Medien (z. B. Fenster und durchsichtigen Kunststoff) durchdringt. Realisti- sche Simulationen durch die Bestimmung der Emissions- und Transmissivitätseigenschaften von Festkörpern. 10
Anwendungsbereiche in Mechanik und Industrie Erwärmung durch Sonnen- einstrahlung Was ist Erwärmung durch Sonneneinstrahlung? Wofür wird Erwärmung durch Sonneneinstrah- Wozu kann man Erwärmung durch Sonnenein- lung benötigt? strahlung nutzen? Als Untergruppe der Wärmeübertragung durch Strahlung handelt es sich bei Erwärmung durch Das Modell für die Erwärmung durch Sonnenein- Autodesk Simulation CFD enthält ein umfassendes Sonneneinstrahlung um die Strahlungswärme der strahlung wird insbesondere für die Optimierung Werkzeugset zur exakten Angabe von Standort, Sonne. Im Gegensatz zu Wärmeleitung oder Kon- des thermischen Verhaltens von Geräten benötigt, Uhrzeit, Datum sowie Ausrichtung eines Objekts, vektion erfordert Sonneneinstrahlung kein Medi- die im Freien und damit im direktem Sonnenlicht um in zahlreichen Anwendungsbereichen präzise um, wie z. B. einen Feststoff oder ein Trägergas. bzw. ohne viel Schatten zum Einsatz kommen. Ergebnisse zu ermöglichen. Stattdessen wird Wärme mittels elektromagneti- Empfindliche Komponenten, wie z. B. Telekommu- • Bewertung der Wärmeauswirkung von thermi- scher Wellen im Raum ausgestrahlt. nikationsgeräte (sowohl im zivilen als auch militäri- scher Belastung durch Sonneneinstrahlung, um schen Einsatz), aber auch Gebäude und Autos sind Konstruktionsentscheidungen mit direkten Aus- rauen Bedingungen ausgesetzt, die mitunter durch wirkungen auf die Haltbarkeit und Lebensdauer die Sonne verursacht werden. Aus diesem Grund eines Produkts zu optimieren. müssen sie so konstruiert werden, dass sie hohe • Simulation der durch Schattenwurf verursachten Temperaturen und tägliche Temperaturwechsel Effekte. Die Positionierung von Objekten zuein- aushalten können. Schließlich haben diese Fakto- ander hat erheblichen Einfluss auf die Auswirkun- ren einen großen Einfluss auf die Lebensdauer und gen der Sonnenenergie auf andere Objekte oder Haltbarkeit eines Produkts. Geräte. • Untersuchung der langfristigen Auswirkungen der Tageserwärmung. Lufttemperatur und Emis- sionsgrad können zur Simulation der Temperatur- wechsel von Tag zu Nacht und umgekehrt variiert werden. • Präzise Angaben zum Umfang von Wolkendecke und Umgebungslicht durch Angabe der Albedo (Rückstrahlvermögen). 11
Anwendungsbereiche in Mechanik und Industrie Kavitation Was ist Kavitation? Wofür wird Kavitation benötigt? Wozu kann man Kavitation nutzen? Kavitation ist ein physikalisches Phänomen, das in Mit dem physikalischen Kavitationsmodell lässt Das physikalische Kavitationsmodell ermöglicht vielen mit Hochgeschwindigkeit strömenden Flüs- sich feststellen, wo und in welchem Ausmaß die die Ermittlung der Position und Größe von Kavita- sigkeiten auftritt, wenn der Flüssigkeitsdruck unter Kavitation auftritt. Somit erhalten Konstrukteure tionszonen und liefert damit wertvolle Informatio- den Dampfdruck fällt. Dabei bilden sich Dampfbla- wertvolle Unterstützung zur Milderung des Kavita- nen für Konstruktionentscheidungen. Da Kavitati- sen, die schlagartig wieder in sich zusammenfallen tionseffekts in ihren Projekten. Das Ergebnis sind on bei den meisten Flüssigkeitsströmungen und eine Druckwelle verursachen. Komponenten mit längeren Einsatzzeiten und ver- auftritt, ergibt sich mit diesen Daten ein breites besserter Effizienz. Anwendungsspektrum. Kavitation kommt häufig in mit Hochgeschwindig- keit strömenden Flüssigkeiten in Ventilen und Verwenden Sie diese Informationen für: Pumpen vor und kann den Wirkungsgrad und die Lebensdauer dieser Geräte deutlich verringern. • Voraussage des Auftretens und der Position von Anhaltende Kavitation kann sogenannten Kavitati- Blasenbildung (aufgrund von Kavitation) mithilfe onsfraß und Erosion verursachen, was häufig kost- des Volumenanteils der Dampfblasen. spielige Ausfallzeiten und Reparaturen nach sich • Visualisierung der Kavitationsbereiche durch gra- zieht. fische Darstellung des Dampfvolumenanteils für die Kavitation. Verwendung von Isooberflächen zur Positionsangabe von kavitierenden Strömun- gen. 12
Anwendungsbereiche in Mechanik und Industrie Joulesche Erwärmung Was ist Joulesche Erwärmung? Wofür wird Joulesche Erwärmung benötigt? Wozu kann man Joulesche Erwärmung nutzen? Unter der auch als Widerstandserwärmung und Je nach Einsatzbereich handelt es sich bei der Mithilfe der Jouleschen Erwärmung lässt sich das Ohmsche Erwärmung bezeichneten Jouleschen Er- Jouleschen Erwärmung entweder um ein ge- thermische Verhalten zahlreicher Geräte simulie- wärmung versteht man die Generierung von Wär- wünschtes oder um ein zu vermeidendes Ergebnis. ren. Dazu zählen elektrische Widerstandsheizun- me, die auftritt, wenn elektrischer Strom durch ein Ist die Konstruktion auf die Erzeugung von Wider- gen, Heizelemente für Kochfelder und elektrische Metallobjekt, wie z. B. einen Draht, einen elektri- standserwärmung ausgelegt, so lassen sich anhand Transformatoren. schen Steckverbinder oder das Heizelement eines des physikalischen Modells für die Joulesche Er- Kochfelds, fließt. • Angabe eines Stromstärken- oder eines Span- wärmung Informationen zu der durch das Heizele- nungsunterschieds für das Gerät ment verursachten Temperaturverteilung im Gerät gewinnen. Falls jedoch mit der Konstruktion eine • Definition der physikalischen Eigenschaften für Verringerung der Jouleschen Erwärmungseffekte den temperaturabhängigen spezifischen Wider- erreicht werden soll (wie z. B. bei elektrischen An- stand zur Erstellung einer realistischen Simulation schlüssen oder Transformatoren), lässt sich das physikalische Modell für die Joulesche Erwärmung • Visualisierung der Temperaturverteilung im Ge- zur Optimierung der Konstruktion verwenden, um rät und den benachbarten Komponenten im Sys- die unerwünschte Erwärmung der Komponenten tem. Damit lässt sich konkret feststellen, wie effi- zu vermeiden. zient die Wärme aus dem Gerät entfernt wird und an andere Bereiche oder die Umgebung ab- gegeben wird. 13
Anwendungsbereiche in Mechanik und Industrie Modell für skalare Vermi- schung Was ist das Modell für skalare Vermischung? Wofür wird das Modell für skalare Vermischung Wozu kann man das Modell für skalare Vermi- benötigt? schung nutzen? Das Modell für skalare Vermischung enthält einen Mechanismus, mit dem sich die Konzentration ei- In vielen Einsatzbereichen liefern Daten zum Kon- Das Modell für skalare Vermischung ist überaus ner Menge, die einer Strömung zugeführt wird, er- zentrationsgrad wertvolle Informationen für Kons- vielseitig und kann u. a. in folgenden Bereichen fassen lässt. truktionsentscheidungen. Beispiele wären der eingesetzt werden: Salzgehalt einer Meerwasserlösung oder eine Mar- • Erfassung der Konzentration einer Menge, die in ker-Menge, die Aufschluss über die Verteilung und einer Strömung zugeführt wird. Position stagnierender Bereiche geben soll. Darü- ber hinaus sind Informationen zur relativen Kon- • Simulation der Vermischung von zwei ähnlichen zentration (bzw. zum Mischungsanteil) zweier Flui- Fluiden unter Verwendung einer skalaren Misch- de in einer Simulation mit unterschiedlichen bedingung und der Definition von abhängigen Zustandsformen besonders hilfreich bei der Ent- Fluideigenschaften. wicklung vieler industriellen und chemischen Pro- zesse. • Angabe eines Diffusionskoeffizienten zur Steue- rung der Massendiffusivität der skalaren Menge in das umgebende Fluid. Der Wert 0 verhindert die Diffusion der skalaren Menge. Die Menge entspricht dem Wert DAB im Fick’schen Gesetz. 14
Anwendungsbereiche in Mechanik und Industrie Wasserdampf Was ist Wasserdampf? Wofür wird Wasserdampf benötigt? Wozu kann man Wasserdampf nutzen? Wasserdampf ist der gasförmige Aggregatzustand Die Möglichkeit für die Simulation von Wasser- Das physikalische Modell für Wasserdampf setzt von Wasser und wird in der Energieerzeugung so- dampf spielt eine wesentliche Rolle für das Ver- ein homogenes Zweiphasengemisch für die Lösung wie in anderen Industriezweigen weitreichend ein- ständnis der Verteilung des Dampfgehalts in ge- des Dampfgehalts in der Strömungsverteilung vor- gesetzt. sättigtem Dampf. aus. Das Modell bietet Vorteile für Anwendungen, die auf die Strömung und den physikalischen Zustand von Sattdampf ausgerichtet sind: • Verständnis der Strömungsverteilung von gesät- tigtem Dampf. • Visualisierung des Dampfgehalts sowie der Tem- peratur und Enthalpie in der Strömung von Satt- dampf. 15
Anwendungsbereiche in Mechanik und Industrie Luftfeuchtigkeit Was ist Luftfeuchtigkeit? Wofür wird Luftfeuchtigkeit benötigt? Wozu kann man Luftfeuchtigkeit nutzen? Luftfeuchtigkeit bezeichnet den in der Luft enthal- Hierbei handelt es sich um einen wesentlichen • Prüfung der relativen Luftfeuchtigkeit innerhalb tenen Anteil an Wasserdampf. Faktor für die Regulierung der relativen Luftfeuch- sowie in der Nähe von empfindlichen Komponen- tigkeit und den Schutz vor Kondensation in Berei- ten. Konstruktion der für eine wirksame Regulie- chen, in denen empfindliche Komponenten zum rung der relativen Luftfeuchtigkeit geeigneten Einsatz kommen, beispielsweise in Reinräumen Lüftungssysteme und -verfahren bereits in frü- und Rechenzentren. Ein Werkzeug für die frühzeiti- hen Projektphasen, sodass kostenintensive Über- ge Entdeckung von Bereichen, an denen Konden- arbeitungen bzw. die Gefahr eines späteren Ge- sation auftritt, hat wesentliche Vorteile für die rätedefekts reduziert werden. Konstruktion. So können Ingenieure bessere Ent- • Visualisierung der Stellen, an denen Kondensation scheidungen treffen und signifikante Kostenein- auftritt, und der entstehenden Mengen an Kon- sparungen hinsichtlich der Lebensdauer und Pro- densflüssigkeit zesseffizienz von Geräten und Anlagen erzielen. • Berechnung der Kondensflüssigkeit als Mi- In einigen industriellen Prozessen wird die relative schungsanteil: Masse der Kondensflüssigkeit divi- Luftfeuchtigkeit absichtlich erhöht, um den Wär- diert durch die gesamte Masse von Flüssigkeit, meaustausch zu verbessern. Informationen zur Dampf und Trägergas. Luftfeuchtigkeitsverteilung und deren Auswirkun- gen auf die jeweiligen Prozesse unterstützen bei fundierten Konstruktionsentscheidungen. 16
Anwendungsbereiche in Mechanik und Industrie Druckschlag (kompressible Flüssigkeitsströmungen) Was ist Druckschlag? Wofür wird Druckschlag benötigt? Wozu kann man Druckschlag nutzen? Druckschlag bzw. hydraulischer Stoß bezeichnet Unter bestimmten Bedingungen kann der durch • Mithilfe von instationären Strömungen und Kom- einen Druckimpuls, der sich infolge einer plötzli- Druckschlag verursachte Impuls große Schäden pressibilität kann ein Ventil während eines voll- chen Impulsänderung mit Schallgeschwindigkeit in nach sich ziehen. Die Folgen sind extreme Schall- ständig entwickelten Strömungsprofils umge- einer Flüssigkeit ausbreitet. Ein Beispiel dafür ist entwicklung sowie Rohrbrüche oder sogar hend geschlossen werden. das rasche Schließen eines Ventils in einer Wasser- Rohreinstürze. Durch die Möglichkeit, das Auftre- • Animation der Bewegung des resultierenden leitung, durch die Wasser mit hoher Geschwindig- ten, die Kraft und Geschwindigkeit von Druck- Druckimpulses. keit fließt. Als Folge entsteht ein Druckimpuls, der schlägen zu antizipieren, können Pufferzonen, sich mit hoher Geschwindigkeit im Wasser aus- Akkumulatoren und andere kostensparende Maß- • Bestimmung der Stärke, des Ausmaßes und breitet und Beschädigungen an Rohrendverschlüs- nahmen im System hinzugefügt werden. Dauer des Impulses. sen verursachen kann, bis die Kraft aufgrund von viskoser Dissipation nachlässt. 17
Anwendungsbereiche in Architektur, Ingenieur- und Bauwesen Technische Analysen in der Architektur lassen sich drei Hauptkategori- en zuordnen: mechanische Belüftung, externe Strömungen (Windlast) und natürliche Belüftung. Alle drei bringen zahlreiche Herausforderun- gen mit sich. Daher ist ein Verständnis von Strömungen und Tempera- turen nicht nur in Bezug auf die Behaglichkeit von Bewohnern/Nutzern und die Senkung der Betriebskosten sondern auch für die Installation wirksamer HLK-Systeme wichtig. Strahlung Was ist Strahlung? Wofür wird Strahlung benötigt? Wozu kann man Strahlung nutzen? Strahlung ist eine Art der Wärmeübertragung zwi- Strahlung ist ein wesentliches Element für die Leis- Das Strahlungsmodell in Autodesk Simulation CFD schen Oberflächen, die eine direkte Sichtlinie auf- tung der meisten Anwendungen, bei denen Quel- ist ein robustes Modell, das die Entwicklung hoch weisen. Im Gegensatz zu Wärmeleitung oder Kon- len mit sehr hohen Temperaturen zum Einsatz präziser Lösungen unterstützt. Mithilfe der Be- vektion erfordert Strahlung kein Medium, wie z. B. kommen. In Hochtemperaturanwendungen lässt rechnung eines Sichtfaktors erzeugt das Strah- einen Feststoff oder ein Trägergas. Stattdessen sich durch die Einbeziehung von Strahlung häufig lungsmodell eine exakte Energiebilanz und ver- wird Wärme mittels elektromagnetischer Wellen eine höhere Präzision realisieren. stärkt die Reziprozität zwischen Festkörpern. im Raum ausgestrahlt. Wird der Faktor Strahlung jedoch außer Acht ge- • Genaue Temperaturprognosen in Anwendungs- lassen, kann dies in vielen Einsatzbereichen zu un- bereichen mit hohen Temperaturbereichen (z. B. genauen Temperaturprognosen und damit fehler- offenes Feuer) für die Sichtweite bei Rauchent- haften Planungsentscheidungen führen. wicklung und anderen sicherheitstechnischen Simulationen. • Verwendung des Strahlungsmodells zur Berück- sichtigung des temperaturabhängigen Emissions- grads bei Simulationen der Wirkung von spektra- ler Strahlung. • Berechnung der Wärmeübertragung durch Strah- lung, die transparente Medien (z. B. Fenster und durchsichtigen Kunststoff) durchdringt. Realisti- sche Simulationen durch die Bestimmung der Emissions- und Transmissivitätseigenschaften von Festkörpern. 18
Anwendungsbereiche in Architektur, Ingenieur- und Bauwesen Instationäre Strömungen Was sind instationäre Strömungen? Wofür werden instationäre Strömungen benötigt? Wozu kann man instationäre Strömungen nutzen? Prozesse, die instationär (oder transient) sind, ver- Das Wissen um die Auswirkungen von zeitabhängi- Das physikalische Modell für instationäre Strö- ändern sich im Zeitablauf. Im Gegensatz zu einem gen Schwankungen, wie z. B. oszillierende Strö- mungen hat zahlreiche Vorteile: Prozess im stationären Zustand verändern sich die mungen, ist eine wesentliche Voraussetzung für Strömungsverteilung und Temperatur von einem • Variation der Strömungs- oder Wärmemenge, die fundierte Konstruktionsentscheidungen. Bei Än- Moment auf den anderen. Autodesk Simulation in oder aus einer Struktur strömt, durch die Ver- derungen der Strömungsmenge im Zeitablauf bietet CFD verwendet ein implizites Zeitschrittverfahren wendung transienter Randbedingungen. Da viele das Modul für instationäre Strömungen wertvolle für die Berechnung einer zeitabhängigen Lösung. Systeme auf zyklischen Eingaben basieren, lassen Informationen in Bezug auf die Strömungsentwick- sich mit dem Modul für instationäre Strömungen lung sowie die Reaktion des Systems auf veränder- unterschiedliche Eingaben simulieren. te Eingaben. Wird die einem Gerät hinzugefügte bzw. entzogene Wärmemenge mit einer transien- • Überprüfung des zeitlichen Verlaufs anhand von ten Randbedingung gesteuert, gestaltet sich die Animationen, die Ergebnisse anschaulich darstel- Prognoseerstellung anhand manueller Berechnun- len. Austausch der Ergebnisse in verschiedenen gen oder Versuchsmethoden deutlich schwieriger. Formaten: dynamische Bilder für die Darstellung im Autodesk Simulation CFD 3D Viewer sowie als AVI und MPEG. 19
Anwendungsbereiche in Architektur, Ingenieur- und Bauwesen Erwärmung durch Sonnen- einstrahlung Was ist Erwärmung durch Sonneneinstrahlung? Wofür wird Erwärmung durch Sonneneinstrah- Wozu kann man Erwärmung durch Sonnenein- lung benötigt? strahlung nutzen? Als Untergruppe der Wärmeübertragung durch Strahlung handelt es sich bei Erwärmung durch Das Modell für die Erwärmung durch Sonnenein- Autodesk Simulation CFD enthält ein umfassendes Sonneneinstrahlung um die Strahlungswärme der strahlung wird insbesondere für die Optimierung Werkzeugset zur exakten Angabe von Standort, Sonne. Im Gegensatz zu Wärmeleitung oder Kon- des thermischen Verhaltens von Geräten benötigt, Uhrzeit, Datum sowie Ausrichtung eines Objekts, vektion erfordert Sonneneinstrahlung kein Medi- die im Freien und damit im direktem Sonnenlicht um präzise Ergebnisse zu gewährleisten. um, wie z. B. einen Feststoff oder ein Trägergas. bzw. ohne viel Schatten zum Einsatz kommen. • Bewertung der Wärmeauswirkung von thermi- Stattdessen wird Wärme mittels elektromagneti- Viele Gebäude, Atrien und andere Bauwerke sind scher Belastung durch Sonneneinstrahlung opti- scher Wellen im Raum ausgestrahlt. rauen Bedingungen ausgesetzt, die mitunter durch miert Planungsentscheidungen in Bezug auf die die Sonne verursacht werden. Je nach Standort Haltbarkeit und Lebensdauer eines Produkts. sollte ein Gebäude entweder vor der Erwärmung • Simulation der durch Schattenwurf verursachten durch die Sonneneinstrahlung geschützt oder für Effekte. Die Positionierung von Objekten zuein- eine Ausschöpfung der Strahlungswärme ausge- ander hat erheblichen Einfluss auf die Auswirkun- legt sein. Dies gewährleistet einen optimalen Nut- gen der Sonnenenergie auf andere Objekte oder zerkomfort und eine verbesserte Kontrolle der Geräte. Ausgaben für Heizung, Lüftung und Klimatisie- rung. • Untersuchung der langfristigen Auswirkungen der Tageserwärmung. Lufttemperatur und Emis- sionsgrad können zur Simulation der Temperatur- wechsel von Tag zu Nacht und umgekehrt variiert werden. • Präzise Angaben zum Umfang von Wolkendecke und Umgebungslicht durch Angabe der Albedo (Rückstrahlvermögen). 20
Anwendungsbereiche in Architektur, Ingenieur- und Bauwesen Luftfeuchtigkeit Was ist Luftfeuchtigkeit? Wofür wird Luftfeuchtigkeit benötigt? Wozu kann man Luftfeuchtigkeit nutzen? Luftfeuchtigkeit bezeichnet den in der Luft enthal- Hierbei handelt es sich um einen wesentlichen • Prüfung der relativen Luftfeuchtigkeit innerhalb tenen Anteil an Wasserdampf. Faktor für die Regulierung der relativen Luftfeuch- sowie in der Nähe von empfindlichen Komponen- tigkeit und den Schutz vor Kondensation in Berei- ten. Konstruktion der für eine wirksame Regulie- chen, in denen empfindliche Komponenten zum rung der relativen Luftfeuchtigkeit geeigneten Einsatz kommen, beispielsweise in Reinräumen Lüftungssysteme und -verfahren bereits in frü- und Rechenzentren. Ein Werkzeug für die frühzeitige hen Projektphasen, sodass kostenintensive Über- Entdeckung von Stellen, an denen Kondensation arbeitungen bzw. spätere Systemdefekte redu- auftritt, hat wesentliche Vorteile für die Planung. ziert werden. So können Ingenieure bessere Entscheidungen • Visualisierung der Stellen, an denen Kondensation treffen und signifikante Kosteneinsparungen hin- auftritt, und der entstehenden Mengen an Kon- sichtlich der Lebensdauer und Prozesseffizienz von densflüssigkeit Geräten und Anlagen erzielen. • Berechnung der Kondensflüssigkeit als Mi- schungsanteil: Masse der Kondensflüssigkeit divi- diert durch die gesamte Masse von Flüssigkeit, Dampf und Trägergas. 21
Vergleich der Autodesk Simulation CFD-Produkte Autodesk Autodesk Autodesk Simulation CFD Simulation CFD Advanced Simulation CFD Motion Strömung Laminare Strömung √ √ √ Turbulente Strömung √ √ √ Inkompressible Strömung √ √ √ Unterschallströmung und schallnahe Strömung √ √ √ Stationärer Zustand (zeitunabhängig) √ √ √ Kartesische 2D- und 3D-Koordinaten √ √ √ Axialsymmetrie (2D) √ √ √ Randbedingungen für Geschwindigkeit und Druck √ √ √ Randbedingungen für Volumen- und Massenstrom √ √ √ Externe Lüfterkennlinie mit Drehgeschwindigkeit und √ √ √ Schlupffaktor Gleiten/Symmetrie und unbekannt (natürlich) √ √ √ Räumlich periodische Randbedingungen √ √ √ Anfangsbedingungen für Geschwindigkeit und Druck √ √ √ Kompressible Überschallströmungen √ √ Instationäre Strömungen (zeitabhängig) √ √ Zweiphasenströmungen (Wasser-/Dampfgemisch) √ √ Fluidhöhe √ √ Skalare Vermischung zweier Fluids √ √ Kompressible Flüssigkeitsströmungen (Druckschlag) √ √ Kavitation √ √ Wärmeübertragung Wärmeleitung √ √ √ Konvektion (mit automatischer Berechnung des Filmko- √ √ √ effizienten) Zwangskonvektion (mit automatischem Übergang von √ √ √ Strömung zu Wärme) Naturkonvektion (von der Auftriebskraft gesteuert, mit √ √ √ Schwerkraftvektor) Berechnung der thermischen Behaglichkeit √ √ √ Konjugierte Wärmeübertragung (gleichzeitige Konduk- √ √ √ tion und Konvektion) Randbedingungen für Temperatur, Filmkoeffizient und √ √ √ Strahlung Randbedingungen für bereichsbasierten und gesamten √ √ √ Wärmefluss Randbedingungen für volumenbasierte und gesamte √ √ √ Wärmequellen Temperaturabhängige Randbedingungen für Wärme- √ √ √ quellen mit benutzerdefinierter Sensorposition Anfangsbedingungen für die Temperatur √ √ √ Interne Wärmeübertragung durch Strahlung √ √ Strahlung durch durchlässige Medien √ √ Thermische Belastung durch Sonneneinstrahlung √ √ Temperaturabhängiger Emissionsgrad √ √ Joulesche Erwärmung mit temperaturabhängigem spezi- √ √ fischem Widerstand 22
Vergleich der Autodesk Simulation CFD-Produkte Autodesk Autodesk Autodesk Simulation CFD Simulation CFD Advanced Simulation CFD Motion Turbulenzmodelle k-epsilon √ √ √ k-ε mit niedriger Reynolds-Zahl √ √ √ RNG √ √ √ Konstante Wirbelviskosität √ √ √ Mischungsweg √ √ √ Automatischer Turbulenzbeginn (für nahtlose Integrati- √ √ √ on von Turbulenz in die Lösung) Laminar √ √ √ Bewegung Linear √ Winkel √ Rotation/Strömungsmaschinen √ Kombination aus Linear- und Winkelbewegung √ Kombination aus Kreis- und Winkelbewegung √ Nutation √ Drehschieber √ Bewegung ohne Abhängigkeiten √ Umgebung für Konstruktionsstudien Automatisierung von Konstruktionsstudien √ √ √ Unterstützung der Entscheidungsfindung √ √ √ Konstruktionsüberprüfung mit mehreren Szenarien √ √ √ Modellzentrierte Oberfläche √ √ √ Anpassbare Materialdatenbanken √ √ √ Intelligente Netzgenerierung Automatische Netzdimensionierung √ √ √ Lokale Größenanpassung √ √ √ Geometrische Netzdiagnose √ √ √ Erweiterung von Netzgrenzschichten √ √ √ Interaktive Netzverfeinerungsbereiche √ √ √ Extrusion √ √ √ Angabe der Netzvolumenzunahmerate √ √ √ Flächenbasierte Netzverteilung und -verfeinerung √ √ √ Verfeinerung von Spalten und schmalen Volumenkör- √ √ √ pern Flexibilität bei der Netzgenerierung √ √ √ 23
Digital Prototyping für die Fertigungsindustrie Autodesk ist ein führender Anbieter von Konstruktionssoftware, der Unternehmen Werkzeuge zur Verfügung stellt, mit denen sie ihre Ideen noch vor der Realisierung erlebbar machen können. Mit leistungsstarker Technologie für die digitale Produktentwicklung re- volutioniert und optimiert Autodesk den Konstruktionsprozess in Mechanik und Maschinenbau. Die innovative Lösung zeichnet sich vor allem durch ihre einzigartige Skalierbarkeit, Kompatibilität und Kosteneffizienz aus. Die leichte Integration in vorhandene Prozesse ermöglicht es Fertigungsunternehmen jeder Größenordnung, von den Vorteilen der digitalen Produktentwicklung zu profitieren, und ebnet den Weg für den Einsatz eines zentralen, abteilungsübergrei- fenden digitalen Modells. Weitere Informationen Wenden Sie sich mit Ihren Fragen an einen Autodesk-Fachhändler, der Ihnen mit hervorragendem Produktwissen, umfassenden Branchenkenntnissen und weit- eren zusätzlichen, über den reinen Softwareverkauf hinausgehenden Leistungen zur Seite steht. Lizenzen von Autodesk Simulation CFD sind bei einem Autodesk Premier Solutions Provider oder einem Autodesk-Fachhändler erhältlich. Unter www.autodesk.de/haendler finden Sie einen Fachhändler in Ihrer Nähe. Weitere Informationen zu Autodesk Simulation CFD finden Sie unter www.autodesk.de/simulationcfd. Aus- und Weiterbildungsprogramm Ganz gleich, ob Sie sich für Schulungen unter der Leitung von Dozenten oder mit freier Zeiteinteilung, Online-Kurse oder Lehrmaterial interessieren – Autodesk Weiteres Informationsmaterial zu Autodesk GmbH Aidenbachstraße 56 hat für jeden Bedarf eine Lösung parat. Profitieren Sie vom Know-how der Ex- den Autodesk Produkten bekommen D-81379 München perten in den Autodesk Authorized Training Centers (ATC®), nutzen Sie die on- Sie über die Autodesk Infoline unter: line und im Buchhandel erhältlichen Lernprogramme für das Selbststudium, und 0049 / (0)180 - 5 22 59 59* Autodesk Ges.m.b.H stellen Sie Ihre Fähigkeiten mit einer Autodesk-Zertifizierung unter Beweis. Dr.-Schauer-Straße 26 Weitere Informationen erhalten Sie unter www.autodesk.de/atc. * 14 Cent pro Minute aus dem A-4600 Wels deutschen Festnetz, 42 Cent pro Service- und Supportleistungen von Autodesk Minute aus deutschen Mobilfunk- Autodesk S.A. Sichern Sie sich unmittelbare Geschäftsvorteile, und profitieren Sie von effizien- netzen. Bei internationalen Puits-Godet 6 teren Arbeitsabläufen beim Einsatz Ihrer Autodesk-Lösung. Die attraktiven Gesprächen fallen die üblichen CH-2002 Neuchâtel Kaufoptionen, Begleitprodukte, Beratungs- und Supportleistungen sowie Schul- Auslandsgebühren an. ungen von Autodesk und seinen Partnern gewährleisten eine maximale Investi- tionsrendite sowie Produktivität und mehr Wettbewerbsvorteile für Kunden Oder besuchen Sie uns im Internet unter sämtlicher Branchen. Weitere Informationen erhalten Sie unter www.autodesk.de www.autodesk.de/support. www.bsa.org Autodesk Subscription Mit Autodesk® Subscription haben Sie direkten Zugriff auf Software-Upgrades sowie exklusiven Zugang zu Service- und Supportleistungen, mit denen Sie Ihre Autodesk-Programme optimal nutzen können. Weitere Informationen erhalten Zeigen Sie Software- Sie unter www.autodesk.de/subscription. Piraterie unter 0049 / (0)180 - 5 22 59 59* an. Autodesk ist eine eingetragene Marke von Autodesk, Inc. und/oder ihrer Tochtergesellschaften bzw. verbundener Unternehmen in den USA und/oder anderen Ländern. Alle anderen Marken, Produktnamen und Kennzeichen sind Eigentum der jeweiligen Inhaber. Autodesk behält sich vor, Produkt- und Serviceangebote sowie Spezifikationen und Preise jederzeit ohne vorherige Benachrichtigung zu ändern. Autodesk übernimmt keine Gewährleistung für die Richtigkeit der Angaben. © 2012 Autodesk, Inc. Alle Rechte vorbehalten.
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