Flusssimulationen

Flusssimulationen sind numerische Verfahren zur Untersuchung der Bewegung von Flüssigkeiten und Gasen durch Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen. Sie ermöglichen die Vorhersage von Geschwindigkeiten, Drücken und Temperaturen in zeitabhängigen oder stationären Strömungen unter Berücksichtigung von Randbedingungen, Geometrie und Materialeigenschaften.

Typische Ansätze umfassen feldbasierte Diskretisierungsmethoden wie Finite-Volumen-, Finite-Elemente- und Finite-Differenzen-Verfahren. Je nach Anwendungsfall wird der turbulente Natur der Strömung durch Modelle beschrieben: RANS-Modelle (k-ε, k-ω, SST), Large-Eddy-Simulation (LES) oder Direct Numerical Simulation (DNS). Die Wahl beeinflusst Genauigkeit und Rechenaufwand. Die Zeitintegration kann explizit oder implizit erfolgen; stationäre Strömungen nutzen oft geschlossene Randbedingungen, während transiente Fälle zeitliche Schritte erfordern. Die Geometrie wird durch Netze (strukturiert, unstrukturiert) und Zelltypen (Hexahedren, Tetraeder, Polyeder) erfasst; Randbedingungen umfassen Einlässe, Auslässe, No-Slip-Wände und ggf. bewegte Grenzflächen.

Anwendungsgebiete reichen von der Aerodynamik und Fahrzeugtechnik über Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik bis hin zu Blutfluss, Umwelt- und Mikrosystemtechnik. Ergebnisse werden oft mit Experimenten oder analytischen Lösungen verifiziert und validiert (V&V), und Konvergenztests prüfen Netzunabhängigkeit.

Verbreitete Softwarepakete umfassen OpenFOAM, ANSYS Fluent, COMSOL Multiphysics, SU2 und weitere kommerzielle FEA/CFD-Tools. Herausforderungen sind hoher Rechenaufwand, Turbulenzmodellierung, Netzgenerierung und numerische Diffusion. Zukünftige Trends umfassen Multi-Physics-Kopplungen, Unsicherheitsquantifizierung, Optimierung und den Einsatz von Hochleistungsrechnen sowie maschinellem Lernen zur Beschleunigung von Simulationen.