Der Bedarf an FSI-Modellierung ist mit der zunehmenden Komplexität technischer Produkte und fortlaufender Digitalisierung der Industrie rasant gestiegen. Mehrere Schlüsselfaktoren treiben diesen Trend voran:

• Qualität der Simulationsergebnisse: Es ist kein Geheimnis, dass eine Simulation eine Approximation an die Wirklichkeit ist und somit auch Fehler aufweist. In den meisten technischen Produkten spielen mehrere physikalische Effekte eine Rolle. Das gleichzeitige Einbinden dieser ist essenziell für realitätsnahe Vorhersagen.
• Nachhaltigkeit: Der zunehmende Fokus auf Nachhaltigkeit in den Produktdesigns erfordert sparsameren Umgang mit Materialien. Durch genauere Simulationen können sich Designs immer mehr der Grenzlast annähern und somit Material einsparen.

Die Vielseitigkeit der FSI-Simulationen zeigt sich in ihrer Anwendung in zahlreichen Branchen:

• Luft- und Raumfahrt: Aeroelastizitätsstudien, Flügelflatteranalyse
• Automobilbranche: Simulationen von Kraftstoffschwappen, Design von Stoßdämpfern, Dichtungen, Ventilen, Bremsenkühlung und -verformung
• Energie: Analyse von Riser-Vortex-induzierter Vibration (VIV) und strömungsinduzierter Vibration (FIV), Strukturanalyse von Windturbinenblättern.
• Medizintechnik: Modellierung von Stents und Herzklappen, Simulation von Peristaltikpumpen
• Chemie- und Prozessindustrie: Optimierung von Mischtanks, Analyse der Folgen von Kavitation auf die Struktur
• Schiffbau & Offshore: Wellenschlaganalyse, Propellerströmung und Kavitationsberechnung, Stabilität von schwimmenden Plattformen

Simcenter STAR-CCM+ ist eine CFD-Simulationssoftware mit Fokus auf multiphysikalischen Effekten (Strömung, Thermodynamik, Schüttgut, Elektromagnetik, Strukturmechanik). Sie ermöglicht die Berechnung, Visualisierung und Analyse von komplexen, dreidimensionalen, reibungsbehafteten Strömungen sowie multiphysikalischen, gekoppelten Effekten (Wärmetransport, Verbrennung, Strukturmechanik, Elektromagnetik) in einer integrierten Oberfläche. Dabei vereint sie die Vorteile komfortabler Geometrieaufbereitung und -parametrisierung und von strukturierter und unstrukturierter Netzerstellung und zeichnet sich durch präzise physikalische Modelle, robuste und sehr schnelle Lösungsverfahren sowie durch effiziente Parallelverarbeitung auf unterschiedlichen Architekturen (CPU, GPU) und Plattformen (Windows, Linux) aus. Herauszuheben ist, dass auf der Strukturseite auch große Verformungen, nichtlineare Materialien und Kontakte berücksichtigt werden können.

Was macht STAR-CCM+ so optimal für das Lösen der FSI-Problemstellungen? Um das zu beantworten, muss man sich zuerst den unverzichtbaren ersten Schritt jeder numerischen Simulation anschauen: die Diskretisierung.

Um ein physikalisches Problem für ein Programm verständlich zu machen, müssen die Grundgleichungen und das zu untersuchende physikalische Gebiet diskretisiert werden. Es gibt drei gängige räumliche Diskretisierungsmethoden in der numerischen Simulation:

• Die Finite-Differenzen-Methode (FDM) approximiert Ableitungen durch Differenzenquotienten und löst partielle Differentialgleichungen, indem sie kontinuierliche Funktionen auf ein diskretes Gitter überträgt. Sie ist die grundlegende Diskretisierungsmethode, wird aber wegen ihrer geringen Genauigkeit nur selten eingesetzt. Außerdem erfordert sie ein strukturiertes Netz, was sie für komplexe Geometrien weniger geeignet macht.
• Die Finite-Elemente-Methode (FEM) approximiert die Lösung durch stückweise Polynominterpolation und iterative Methoden. Sie ist der FDM ähnlich, ermöglicht jedoch die Verwendung unregelmäßiger Netze und damit eine komplexere Geometrie. Die FEM wird hauptsächlich in der Strukturmechanik eingesetzt, weil die Verwendung von Polynomen höheren Grades eine deutlich verbesserte Lösung auch auf gröberen Gittern erlaubt, während sie in der Strömungssimulation langsamer ist und eine konservative Erhaltung von Masse, Impuls und Energie nicht garantiert.
• Die Finite-Volumen-Methode (FVM) ist die am häufigsten verwendete Methode zur räumlichen Diskretisierung der Navier-Stokes-Gleichungen bei Strömungsproblemen. Die FVM unterteilt das Gebiet in Kontrollvolumina und nähert sich der Lösung an, indem sie die Erhaltungsgleichungen über diese Volumina integriert. Diese Volumenintegrale werden dann zum Teil in Oberflächenintegrale umgewandelt, die dann als Flüsse an jeder dieser Oberflächen dargestellt werden. Die FVM kann damit die Erhaltung physikalischer Größen wie Masse, Impuls und Energie gewährleisten.

Durch die Verwendung eines partitionierten Ansatzes für FSI hebt sich Simcenter STAR-CCM+ in der Wettbewerbslandschaft ab. Die Stärken der Finite-Volumen Methode für Fluiddynamik und Finite-Elemente-Methode für Strukturmechanik werden dadurch kombiniert. Der hybride Ansatz ermöglicht:

• Nutzung der am besten geeigneten und etablierten Diskretisierungsmethode für jeden physikalischen Bereich.
• Flexibilität bei der Handhabung komplexer Geometrien und Physik sowohl in Fluid- als auch in Strukturdomänen durch eine Vielzahl an verfügbaren Vernetzungsmethoden.
• Effiziente Lösung gekoppelter Probleme ohne Kompromisse bei der Genauigkeit in beiden Domänen.

Eine weitere kritische Herausforderung bei der FSI-Simulation ist die genaue Übertragung von Daten zwischen den Fluid- und Strukturelementen, da die Rechengitter oft nicht konform zueinander sind. Simcenter STAR-CCM+ bietet modernste Interpolationsmethoden für robuste und genaue Datenübertragung:

• Struktur zu Fluid: Nächster Nachbar, Formfunktionen und Methode der kleinsten Quadrate.
• Fluid zu Struktur: Nächster Nachbar, kleinste Quadrate, exakter Abdruck und approximativer Abdruck.

Diese modernen Mapping-Fähigkeiten stellen sicher, dass entscheidende Informationen über die Fluid-Struktur-Interfaces hinweg erhalten bleiben und die Lösungsgenauigkeit sowie -stabilität gewahrt werden.

Um strukturelle Verformungen zu berücksichtigen, muss sich das Fluidnetz entsprechend anpassen. Simcenter STAR-CCM+ bietet eine Reihe von Netzdeformationstechniken:

• Auf radialen Basisfunktion (RBF) basierter Morpher: Ideal für komplexe Verformungen.
• B-Spline basierter Morpher: Bietet glatte und effiziente Netzdeformation.
• Overset-Netzbewegung (Chimera-Netz): Optimal für große Starrkörperbewegungen.

Diese Methoden eliminieren die Notwendigkeit einer zeitaufwändigen Neuvernetzung der Fluiddomäne, selbst bei großen Starrkörperbewegungen, was die Recheneffizienz erheblich verbessert und zu häufige Dateninterpolation vermeidet.

FSI-Probleme können numerisch herausfordernd sein, insbesondere bei stark gekoppelten Systemen. Simcenter STAR-CCM+ bietet fortschrittliche Lösungsstabilisierungsmethoden:

• Explizite Kopplung: Für schwach gekoppelte Systeme, ermöglicht effizienten Datenaustausch in festgelegten Zeitintervallen.
• Iterative Kopplung: Für stark gekoppelte Systeme, ermöglicht mehrfachen Datenaustausch pro Zeitschritt.
• Dynamische Stabilisierung und Verschiebungs-Unterrelaxation: Fortgeschrittene Techniken zur Sicherstellung der Lösungsstabilität in anspruchsvollen Fällen.

Diese Stabilisierungsmethoden ermöglichen es Simcenter STAR-CCM+, eine breite Palette von FSI-Problemen zu behandeln, von einfachen bis hin zu hochkomplexen gekoppelten Systemen.

Eine einzigartige Funktion von Simcenter STAR-CCM+ ist seine Fähigkeit, FSI-Simulationen zu handhaben, die sowohl Starrkörperbewegung als auch strukturelle Verformung beinhalten. Vorteile sind:

• Die Möglichkeit einer Kombination von 6-DOF-Löser für Starrkörperbewegung mit Strukturanalyse für Verformung.
• Die effiziente Simulation komplexer Szenarien, wie z.B. sich verformende Propeller an sich bewegenden Booten.
• Die Kombination eliminiert oft den Einsatz großer Verschiebungen und verringert dadurch den Rechenaufwand.

Diese Funktionen erlauben es Simcenter STAR-CCM+, reale technische Probleme präzise abzubilden, welche sowohl Gesamtbewegung als auch lokale Verformungen beinhalten.

Das Ziel numerischer Simulationen ist im Allgemeinen nicht nur die Prognose der Performance eines vorliegenden Entwurfs. Vielmehr sollen Aussagen über wesentlich Parameter getroffen werden, welche Funktion und Performance maßgeblich beeinflussen. Mögliches Optimierungspotential soll schnell identifiziert und sicher nutzbar gemacht werden. In Simcenter STAR-CCM+ können FSI-Simulationen vollständig parametrisiert und Optimierungsschleifen automatisiert durchlaufen werden.

In einer parametrisierten Optimierung werden Eingangsparameter der Berechnung (Abmessungen, Randbedingungen, Materialparameter, numerische Parameter) in vorgegebenen Grenzen variiert. Lösungsgrößen liegen ebenfalls als Parameter vor. Durch wiederholende Berechnung mit variierenden Eingangsparametern kann deren Einfluss auf definierte Ergebnisgrößen korrelativ bestimmt werden.

Die Durchführung und Auswertung einer solchen Parameterstudie erfolgt in Simcenter STAR-CCM+ automatisch innerhalb der Oberfläche, bei Bedarf auch mit temporär verfügbaren Ressourcen (Cloud-Computing) und erweiterter Statistik (Simcenter HEEDS).

Simcenter STAR-CCM+ löst nicht nur komplexe FSI-Probleme; es bietet auch leistungsstarke Werkzeuge zur Analyse und Interpretation der berechneten Ergebnisse – alles in der gleichen Oberfläche. Diese Werkzeuge stehen dem Anwender zur Verfügung:

• Integrierte Visualisierungsumgebung mit einer breiten Palette von Analysewerkzeugen für die strömungsmechanischen, thermischen und strukturmechanischen Lösungsgrößen
• Anpassbare Farbkarten, Beleuchtungs- und Transparenzoptionen
• Fortschrittliche Rendering-Fähigkeiten, einschließlich Raytracing
• Animation und Volumenrendering für die dynamische Visualisierung von Ergebnissen.

Diese Funktionen ermöglichen es Ingenieuren, tiefe Einblicke aus ihren Simulationen zu gewinnen und Ergebnisse effektiv an Stakeholder zu kommunizieren.

Simcenter STAR-CCM+ ist ein leistungsstarkes und vielseitiges Werkzeug für die Analyse von multiphysikalischen Anwendungen, wie die Fluid-Struktur-Interaktion. Die Kombination aus fortschrittlichen numerischen Methoden, robusten Lösungstechniken, durchgängigem, parametrisiertem Workflow und komfortablem Postprocessing macht es fast schon unverzichtbar für Ingenieure in zahlreichen Branchen.

Mit zunehmender Komplexität der technischen Herausforderungen werden Werkzeuge wie Simcenter STAR-CCM+ eine immer wichtigere Rolle bei der Förderung von Innovation und Effizienz in allen Branchen spielen. Mit seinen umfassenden FSI-Fähigkeiten ist Simcenter STAR-CCM+ nicht nur ein Simulationswerkzeug; es ist ein Katalysator für technische Exzellenz in der modernen Welt.