Physikalische Modelle in Simcenter STAR-CCM+

Die Zuverlässigkeit und Qualität einer Strömungssimulation hängen stark von der Auswahl und Qualität der physikalischen Modelle ab. Simcenter STAR-CCM+ bietet eine Vielzahl von physikalischen Modellen, die im industriellen Einsatz erprobt sind.

Grundlage der numerischen Strömungssimulation ist die numerische Lösung der diskretisierten Navier-Stokes-Gleichung, welche die Impulserhaltung einer reibungsbehafteten Strömung beschreibt. Ergänzt um jeweils eine Gleichung der Massen- und Energieerhaltung, kann das Verhalten (in-)kompressibler, reibungsbehafteter Strömungen unter Berücksichtigung des Energietransports beschrieben werden. Die Temperaturverteilung in Festkörpern wird durch die Wärmeleitungsgleichung (Fouriersches Gesetz) beschrieben. Durch gekoppelte Lösung der Gleichungen für Strömung und Festkörper können Wärmeübergangsprozesse berechnet werden.

Durch geeignete Materialmodelle kann das Verhalten von Gasen und Flüssigkeiten dargestellt werden, und durch die Einbindung weiterer physikalischer Modelle können zusätzliche Effekte wie Turbulenz, Strahlung oder Verbrennung berücksichtigt werden. Oftmals stehen mehrere Modelle zur Auswahl, die sich in ihrer numerischen Komplexität und Abbildegenauigkeit unterscheiden. Wir beraten Sie gerne, welches Modell für Ihre Fragestellung notwendig und ausreichend ist.

Zur Berechnung einer reibungsbehafteten Strömung unter Berücksichtigung des Energietransportes werden im Allgemeinen folgende Stoffeigenschaften benötigt:

  • Dichte (Zustandsgleichung),
  • Spezifische Wärmekapazität,
  • Wärmeleitfähigkeit und
  • Viskosität.

Zur Berechnung der Wärmeleitung in Festkörpern werden folgende Stoffeigenschaften benötigt:

  • Dichte,
  • Spezifische Wärmekapazität und
  • Wärmeleitfähigkeit.

Simcenter STAR-CCM+ entält eine umfangreiche Materialbibliothek, in welcher für elementare Stoffe und für eine große Anzahl auch komplexer Stoffverbindungen die genannten Stoffeigenschaften hinterlegt sind. Je nach verwendetem Materialmodell können die Stoffeigenschaften konstant beziehungsweise druck- und temperaturabhängig sein.


Zustandsgleichung

Simcenter STAR-CCM+ bietet die folgenden Zustandsgleichungen zur Bestimmung der Dichte in Abhängigkeit des Drucks und der Temperatur. 

  • konstante Dichte
  • Polynomiale Funktionen der Temperatur (NASA)
  • Idealgas-Gesetz
  • Van-der-Waals-Gleichung
  • Kubische Zustandsgleichung für Realgase
    • Peng-Robinson
    • Redlich-Kwong
    • (Modified) Soave-Redlich-Kwong
  • Nichtgleichgewichtsmodelle und Gleichgewichtsmodelle (Dissoziation bei hohen Temperaturen)
  • IAPWS-IF97

Newtonsche Fluide

Linear-viskoses Fließverhalten kann in Simcenter STAR-CCM+ mit konstanter und temperaturabhängiger Viskosität (Sutherland Modell, Potenzgesetz) modelliert werden. 


Nicht-Newtonsche Fluide

Simcenter STAR-CCM+ bietet eine Vielzahl an Modellen zur Berücksichtigung von komplexen Fließverhalten.

  • Generalized Newtonian (Potenzgesetz, Cross, Carreau-Yasuda, Bingham, Benutzerdefiniert)
  • Viskoplastizität und -elastizität
  • Thixotropie
  • Time-Temperature Superposition
  • Mehrschichtfolien
  • Faserverbundwerkstoffe (Spritzguss)

Wärmetransport

Die für den Wärmetransport erforderlichen Materialparameter (Wärmeleitfähigkeit und -kapazität) ergeben sich aus der gewählten Zustandsgleichung oder können als Funktionen in Abhängigkeit der Temperatur definiert werden.


Materialbibliothek

Die enthaltene Materialbibliothek enthält diese Stoffdaten für:

  • Unverzweigte Kohlenwasserstoffe (Methan bis Decan)
  • Treib- und Kältemittel (R134, R410, ...)
  • Elemente (Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff, ...)
  • Stoffverbindungen (Ammoniak, Kohlendioxid, Schwefeldioxid, ...)

Als mehrphasige beziehungsweise mehrkomponentige Strömungen werden Strömungen mit zwei oder mehr beteiligten Stoffen bezeichnet. Dabei werden diese Strömungen durch die Morphologie und die Interaktion der beteiligten Stoffe charakterisiert. Eine mehrkomponentige Strömung ist dabei durch eine Vermischung der beteiligten Stoffe auf molekularer Ebene gekennzeichnet. Der Stofftransport - zum Beispiel die Ausbreitung löslicher Stoffe - wird zusätzlich zum Transport in der Strömung (Konvektion) durch Diffusion bestimmt.

Beispiele für Mehrphasen- und Mehrkomponentenströmungen sind:

  • Wirbelschichten
  • Blasensäulen
  • Pneumatischer Transport
  • Tankbefüllungen
  • Verdampfungskühler
  • Sprühtrockner
  • Sprayverteilung
  • Einspritzvorgänge in SCR-Katalysatoren
  • Öl- und Kohleverbrennung
  • Rührkessel

und viele weitere.


Mehrkomponentige Strömung

In einer mehrkomponentigen Strömung breiten sich gelöste Stoffe aufgrund der stochastischen Teilchenbewegung aus. Dieser diffusive Prozess wirkt dabei den Konzentrationsgradienten in der Strömung entgegen und ist dem konvektiven Transport mit der Strömung überlagert. Simcenter STAR-CCM+ bietet die Möglichkeit die (an)-isotrope Diffusion mehrerer gering- und hochkonzentrierter Stoffe in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern zu berechnen.


Mehrphasige Strömungen

Mehrphasige Strömungen sind durch Vorhandensein mehrerer mikroskopisch separierter Stoffe (Phasen) gekennzeichnet, wobei zwischen kontinuierlichen und dispersen Phasen sowie Flüssigkeitsfilmen unterschieden wird. Für jede Phase kann ein eigenes Geschwindigkeits- und Temperaturfeld berechnet werden, wobei die einzelnen Phasen mittels Impulsaustausch, Wärmeübergang und Massentransfer interagieren.

Berechnung freier Oberflächen: Sind mehrere kontinuierliche Phasen in der Strömung vorhanden, interagieren diese an einer kontinuierlichen, scharfen Grenzfläche (zum Beispiel Wasseroberfläche). Zur Berechnung dieser freien Oberfläche bietet Simcenter STAR-CCM+ Modelle (Volume of Fluid, dynamische Netzadaption) mit denen die Verformung und Ausbreitung der Oberfläche (zum Beispiel Füll- und Schwappvorgänge) exakt und schnell berechnet werden können. An der freien Oberfläche können auch Oberflächenspannungs- und Adhäsionskräfte wirken, ebenso ist die Berücksichtigung der Marangonikonvektion möglich.

Disperse Mehrphasenströmung: Wird eine disperse Phase (fein verteilte Tröpfchen) in einer kontinuierlichen Strömung transportiert, ist die Interaktion beider Phasen abhängig von deren lokalen Volumenanteilen und der Form sowie Größe der Partikel der dispersen Phase. Simcenter STAR-CCM+ ermöglicht es, mehrere disperse Phasen zu berücksichtigen. Jede Phase ist durch  eine Form und Größenverteilung gekennzeichnet, wobei die Größenverteilung durch die Interaktion der Phasen bestimmt wird (Zerfall, Koaleszenz, Nukleation, Massentransfer). Die Berechnungsmodelle für disperse Mehrphasenströmungen in Simcenter STAR-CCM+ erlauben die Berechnung sowohl schwach als auch sehr stark beladener Strömungen, zum Beispiel Schüttungen.

Particletracking: In manchen Anwendungsfällen ist es sinnvoll, repräsentative Partikel eines gegebenen Spektrums in der Strömung zu verfolgen. STAR-CCM+ bietet leistungsfähige Modelle (Discrete Element Method) zur Berechnung von Partikelströmungen unter Berücksichtigung der Partikelinteraktionen mit dem Fluid (Reibungs- und Auftriebskräfte), den Wänden (Reflexion, Reibung, Erosion) sowie zwischen den Partikeln (Kollisionen, Reibung, Haftung, Zerfall). Die Partikel können dabei als Starrkörper beliebiger Form oder als flexible Fasern modelliert werden.

Flüssigkeitsfilm: Flüssigkeitsfilme auf Oberflächen sind durch eine im Vergleich zur lateralen Ausdehnung geringe Dicke gekennzeichnet. Nichtdestotrotz interagieren sie (Tropfenbildung, Tropfenabsorption, Verdampfung, Kondensation) mit der Hauptströmung und können maßgeblichen Einfluss auf Temperatur- und Strömungsverhältnisse haben. Simcenter STAR-CCM+ bietet Modelle um diese Filmeffekte stationär und instationär zu berücksichtigen.

Phasenübergänge: Viele mehrphasige Prozesse sind durch Phasenübergänge wie zum Beispiel Verdampfung und Kondensation beziehungsweise Schmelzen und Erstarren gekennzeichnet. Phasenübergänge sind dabei durch hohe Energieumsätze (Verdampfungsenthalpie) und eine nahezu schlagartige Änderung der Stoffeigenschaften (Dichte, spezifische Wärmekapazität usw.) an der Phasengrenze gekennzeichnet. Simcenter STAR-CCM+ bietet eine Vielzahl an robusten und exakten Modellen, um den Phasenwechsel auf Grundlage der implementierten Materialmodelle zu berechnen. Dazu zählen Modelle zur Berechnung von druck- und temperaturinduzierten Phasenübergängen, wie zum Beispiel Ausgasungen, Kavitation, Tröpfchenverdampfung, Siedeprozesse an Wänden, Kondensation durch Expansion. Dabei können auch Nichtgleichgewichtseffekte (unterkühlter Dampf, überhitztes Wasser) berücksichtigt werden.

Turbulenzmodellierung ist in der numerischen Strömungssimulation notwendig, da die real auftretenden kleinskaligen, transienten turbulenten Strukturen der Geschwindigkeits- und Druckfelder zumeist nicht mit vertretbarem Aufwand berechnet werden können. Je nach Anwendungsfall und Anforderung an die Prognosegenauigkeit einer strömungsmechanischen Simulation werden entsprechend Turbulenzmodelle verwendet, welche den Einfluss der turbulenten Strukturen auf den Impuls-, Wärme- und Stofftransport (Druckverlust, Wärmeübergang, Vermischung) in der Strömung beschreiben.


Zweigleichungsmodelle

Das Standard-Turbulenzmodell in Simcenter STAR-CCM+ ist das SST-Modell (Shear Stress Transport), eine Kombination des k-ε- und des k-ω-Modells, welches sowohl im turbulenten als auch im laminaren Bereich den Impuls-, Wärme- und Stofftransport in Hauptströmung und Grenzschichten exakt und effizient vorhersagt. Das SST-Modell kombiniert die besten Eigenschaften des k-ε- und des k-ω-Modells und bietet, im Vergleich zu klassischen Zweigleichungsmodellen, eine deutlich höhere Prognosesicherheit bei vergleichbarer Stabilität und Rechenzeit. Grundlegende Annahme ist bei fast allen Zweigleichungsmodellen das Vorliegen einer isotropen Turbulenz in der Hauptströmung. Die klassischen Zweigleichungsmodelle (k-ε-/k-ω-Modelle) stehen dem Anwender ebenfalls in mehreren Varianten zur Verfügung.


Reynoldsspannungsmodelle

In Fällen, bei denen die Anisotropie der Turbulenz berücksichtigt werden muss, finden Reynoldsspannungsmodelle (RSM) Anwendung. Diese Modelle basieren auf den bekannten Zweigleichungsmodellen, in Erweiterung werden hier jedoch die Turbulenzeigenschaften in Abhängigkeit von den drei Raumrichtungen berechnet. Dafür sind weitere Transportgleichungen notwendig, deren Berechnung einen höheren numerischen Aufwand erfordert. Insbesondere bei stark drallbehafteten Strömungen werden Reynoldsspannungsmodelle eingesetzt.


Grobstrukturmodelle

Für die Anwendungen, bei denen die Turbulenzstruktur für die Lösung eines Problems bedeutsam ist, z.B. zur Berechnung von Strömungsakustik oder Kavitation, stehen Grobstrukturmodelle zur Verfügung. Diese Modelle berechnen die turbulenten Strukturen bis zu einer von der Gitterauflösung und Zeitschrittweite abhängigen Größe beziehungsweise Frequenz. Kleinere turbulente Strukturen mit höherer Frequenz werden durch ein Feinstrukturmodell abgebildet.

Das klassische Grobstrukturmodell ist das LES-Modell (Large Eddy Simulation). In der industriellen Anwendung ist der Einsatz des klassischen LES-Modells mit großen Herausforderungen verbunden. Zum einen sind die Rechenzeiten insbesondere zur Berechnung von Wandgrenzschichten sehr hoch, des weiteren können die turbulenten Randbedingungen (Schwankungsgrößen auf den Rändern) kaum exakt vorgegeben werden.

Die Grundidee des DES-Modells (Detached Eddy Simulation) ist, die LES-Methode nur in den Gebieten einzusetzen, in denen die turbulenten Strukturen größer als die Gitterweite sind. In allen anderen Gebieten wird automatisch auf das SST-Modell umgeschaltet. Im Vergleich zum klassischen LES-Modell weist das DES-Modell bei Strömungen mit hohen Reynoldszahlen um Größenordnungen kürzere Rechenzeiten auf und bietet trotzdem die Vorteile des LES-Modells bei der Vorhersage der Turbulenzstrukturen in Ablösegebieten. Ein weiterer großer Vorteil in der Praxis ist, dass an den Rändern des Berechnungsgebietes die bekannten stationären Randbedingungen für das SST-Modell verwendet werden können.

Das SRH-Turbulenzmodell ist eine Weiterentwicklung des bewährten SST-Modells für transiente Rechnungen. Bei hinreichender räumlicher und zeitlicher Auflösung werden auftretende instationäre turbulente Strukturen ähnlich dem LES-Modell aufgelöst. Zur Berechnung stationärer turbulenter Strukturen, insbesondere der Wandgrenzschichten, wird weiterhin das SST-Modell verwendet. Das Umschalten zwischen LES- und SST-Modus geschieht nicht, wie bei DES, gitterabhängig, sondern durch Vergleich physikalischer Längenskalen. Besonderer Vorteil des SAS-Modells ist, dass dies auch nur in ausgewählten Simulationsbereichen benutzt werden kann, so dass nur dort ein entsprechend feines Gitter vorliegen muss, während ansonsten die SST-Gitterauflösung ausreicht. An den Gebietsgrenzen werden dann künstliche turbulente Strukturen erzeugt.

Die genaue Bestimmung des Umschlagpunktes zwischen laminarer und turbulenter Strömung ist bei einer Vielzahl von technischen Anwendungen (Auftrieb, Wärmeübergang) von besonderem Interesse. Für alle SST-verwandten Modelle bietet der CFD-Löser ein zuverlässiges Transitionsmodell (γ-Reθ-Modell) zur Vorhersage des laminar-turbulenten Umschlags. Das Modell verwendet ausschließlich lokale Strömungsgrößen und kann für beliebig komplexe Geometrien eingesetzt werden.

In vielen industriellen Anwendungen spielt der Wärmetransport durch Strahlung eine wichtige Rolle. Bei hohen Temperaturdifferenzen zwischen Bauteilen und damit innerhalb der Strömung wird der Wärmetransport durch Strahlung und nicht durch Konvektion oder Diffusion dominiert.

Beispiele für industrielle Anwendungen mit Strahlungstransport sind:

  • Verbrennung (Brennkammern, Öfen)
  • Klimatisierung (HVAC, Behaglichkeit & Komfort)
  • Trocknung, Härtung und Sterilisation (UV-Strahler)

Simcenter STAR-CCM+ bietet eine Vielzahl an Modellen zur Berücksichtigung der Strahlung in einer Strömungssimulation. Die beteiligten Medien können hierbei als (semi-)transparent oder opaque sowie die Strahlung als grau oder spektral berücksichtigt werden. Dabei unterscheiden sich die Modelle darin, wie die Strahlungsgleichung gelöst wird.


Surface-to-Surface-Modell (S2S)

Dies ist ein Verfahren zur Berechnung ungerichteter, relativ homogener Strahlung zwischen Flächen. Die Sichtfaktoren und Einstrahlzahlen aller Randflächen werden einmalig mittels eines Raytracing-Verfahrens ermittelt, um eine effiziente Lösung der Strahlungstransportgleichung zu berechnen. Dieses vereinfachte Modell berücksichtigt weder Absorption noch Streuung oder Brechung.


Discrete-Ordinate-Modell

Das Discrete-Ordinate-Modell ist ein Verfahren zur Berechnung ungerichteter Strahlung. Für eine definierte Anzahl Raumwinkel wird die Strahlungstransportgleichung ähnlich der Energietransportgleichung in kartesischen Koordinaten gelöst. Dieses Modell berücksichtigt Absorption und Streuung innerhalb der Medien. Mit zunehmender Anzahl an Raumwinkel steigt bei diesem Modell der Rechenaufwand stark an.


P1-Modell (Spherical Harmonics)

Wie das DO-Modell gilt die Die P1-Methode (auch bekannt als Gibb's Modell oder Spherical Harmonics) für ungerichtete Strahlung. Dieses Modell löst jedoch die Strahlungsgleichung nicht für diskrete Raumwinkel, sondern transformiert diese auf die drei Raumrichtungen. Auch dieses Modell berücksichtigt Absorption und Streuung innerhalb der Medien.


Monte-Carlo-Modell

Das Monte-Carlo-Verfahren ist das exakteste und allgemeingültigste Strahlungsmodell. Es basiert auf einem Raytracing-Verfahren und einer statistischen Diskretisierung des Spektrums. Es ist für optisch dichte, transparente und semi-transparente Medien (zum Beispiel Glasscheiben) geeignet. Reflexion, Beugung und Brechung können dabei berücksichtigt werden.

Mit Simcenter STAR-CCM+ wird eine umfangreiche Bibliothek vordefinierter Reaktionsmechanismen für eine Vielzahl von gängigen Aufgabenstellungen geliefert. Zusammen mit den umfangreichen Möglichkeiten der Mehrphasenmodelle ermöglicht die CFD-Software die Berechnung von ein- und mehrphasigen Reaktoren mit festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen.


Stöchiometrische Modelle

Die Reaktionsgeschwindigkeit wird auf mikroskopischer Ebene durch eine Vielzahl möglicher Faktoren (Turbulenz, Stöchiometrie, Arrhenius) begrenzt. Simcenter STAR-CCM+ bietet je nach Art der Reaktion und vorliegendem Strömungsregime Möglichkeiten zur Modellierung der Reaktionsgeschwindigkeit in mehrkomponentigen Strömungen.

Complex Chemistry: Modelliert reagierende Strömungen mit dominanter chemischer Zeitskale.

Eddy Break-Up (EBU): Geeignet für eine für Ein- und Zweischrittreaktionen in Gasströmungen mit dominater turbulenter Zeitskale.

Eddy Contact Micromixing: Erweiterung des EBU-Modells auf Flüssigkeiten, hier limitiert die geringe molekulare Diffusivität die Reaktionsgeschwindigkeit zusätzlich. 

Thickened Flame Model (TFM): Laminare, vorgemischte Flamen sind durch sehr dünne Reaktionszonen gekennzeichnet. Um diese auch auf groben Netzen modellierbar zu machen, erhöht dieses Modell künstlich die Diffusivität um die Flammfront. 

Polymerisation: Mittels der Momentenmethode und vereinfachter Reaktionskinetik wird die resultierende Moleküllänge der Kettenpolymerisation berechnet.


Flamelet

Flamelet-Modelle reduzieren den Berechnungsaufwand indem sie die Reaktionskinetik und damit die Konzentration der Produkte und Reaktanten vorausberechnet und tabelliert im Laufe der Strömungsberechnung verwenden. Innerhalb dieser Tabellierung sind die Konzentrationen der Produkte und Reaktanten nur von lokalen Größen (Fraktion, Enthalpie, Reaktionsfortschritt, Turbulenz ...) abhängig. Das Flamelet-Modell ist sehr schnell und zuverlässig. Es ist besonders für die Berechnung von nicht vorgemischten Flammen geeignet und bietet aufgrund der genauen Berücksichtigung von Nichtgleichgewichtseffekten, Scherung und Turbulenzeffekten detaillierte Informationen über die Flammenstruktur.


NOx-Bildung

In vielen Fällen ist das Ziel der Verbrennungssimulation eine Reduktion der Stickoxid-Bildung. Mit Hilfe des NOx-Moduls können die vielfältigen Mechanismen der NOx-Bildung (thermal, prompt, fuel-derived und reburn) in der Simulation berücksichtigt werden.

Für einen Großteil der strömungsmechanischen Berechnungen kann das Strömungsvolumen als unveränderlich angenommen werden. Die Interaktion der Strömung mit der umgebenden Struktur ist hierbei so gering, dass diese sich nicht nennenswert verformt. Für einige Anwendungsfälle ist diese Annahme jedoch nicht gültig, hier verformt sich das Strömungsvolumen aufgrund der Verformung der umgebenden Struktur so stark, das sich Auswirkungen auf die Strömung ergeben. Beispiele für solche Anwendungsfälle sind:

  • Öffnungs- und Schließvorgänge in Ventilen,
  • Schaufelschwingungen in Turbomaschinen,
  • flatternde Tragflächen an Flugzeugen und
  • Auftriebsberechnungen (Sink and Trim).

 

Simcenter STAR-CCM+ enthält Berechnungsmodelle, um durch Strömungskräfte hervorgerufene Starrkörperbewegungen und Strukturverformungen zu berechnen. Das Berechnungsgitter des Strömungsvolumens wird dabei automatisch angepasst  (Netzverformung bzw. Neuvernetzung) um die Deformation des Strömungsvolumens zu berücksichtigen. Maßgebliches Ziel ist dabei die Erhaltung der Netzqualität und damit der Ergebnisqualität.


Starrkörperbewegung

Starrkörperbewegungen können innerhalb der strömungsmechanischen Berechnung vorgegeben, beziehungsweise berechnet werden (Dynamic Fluid Body Interaction). Eine vorgegebene Starrkörperbewegung beschreibt Translation und Rotation in Abhängigkeit von der Zeit. Alternativ kann die Starrkörperbewegung unter Berücksichtigung der Massenträgheit und der wirkenden externen sowie fluiddynamischen Kräfte in allen Freiheitsgraden unter Berücksichtigung vorhandener Lagerungen berechnet werden. Für kleine, strömungsmechanisch nicht maßgebliche Deformationen der betrachteten Körper können zusätzlich zur Starrkörperbewegung die Spannungen und Deformationen (Deformable Dynamic Fluid Body Interaction) mittels des integrierten, strukturmechanischen Löser (FEM) ermittelt werden.


Elastische und Plastische Deformation

Simcenter STAR-CCM+ enthält einen nichtlinearen, strukturmechanischen Löser (FEM) mit Ansatzfunktionen höherer Ordnung. Dieser kann sowohl zur Lösung rein strukturmechanischer als auch gekoppelter Aufgabenstellungen eingesetzt werden (Fluid-Struktur-Interaktion). Dies beinhaltet die Berechnung von Spannungen und elastisch-plastischen Deformationen unter Berücksichtigung großer Verformungen, sowie von Eigenmoden (Lineare Dynamik). Ebenfalls können thermische Lasten und nichtlineare Randbedingungen berücksichtigt werden.  Die Kopplung der Strömungs- und Strukturmechanik kann dabei unidirektional (Ein-Wege-Kopplung) oder bidirektional (Zwei-Wege-Kopplung) erfolgen. Im Falle einer Ein-Wege-Kopplung ergeben sich die Lasten einer statischen strukturmechanischen Berechnung (Drücke, Wärmeströme) aus dem stationären Ergebnis einer strömungsmechanischen Berechnung. Eine eventuelle Rückwirkung der Verformung auf die Strömung wird hierbei vernachlässigt. Eine Zwei-Wege-Kopplung berücksichtigt hingegen die berechnete Verformung der Struktur in der strömungsmechanischen Berechnung. Daraus ergibt sich ein iteratives Vorgehen aus strukturmechanischer und strömungsmechanischer Berechnung.

Die beschriebene Kopplung kann auch mit externen strukurmechanischen Lösern erfolgen. Für Abaqus und Simcenter Nastran sind automatisierte Schnittstellen integriert, für weitere externe Berechnungsprogramme stehen eine API, der FMI-Standard und dateibasierte Schnittstellen zur Verfügung.

In vielen strömungsmechanischen Anwendungen spielen elektromagnetische Kräfte oder Wärmequellen eine wichtige Rolle, Beispiele sind Lichtbögen (beim Schweißen oder Schalten), geladene Partikel (beim Lackspritzen, bei der Elektrophorese oder beim Galvanisieren), Ferrofluide und elektromagnetisches Rühren oder Bremsen von Flüssigkeiten.

Für vergleichsweise einfache Fälle ist die Berechnung von elektromagnetischen Effekten und deren Kopplung an die Strömungsmechanik innerhalb von CFD-Software möglich ohne andere spezialisierte Produkte benutzen zu müssen. Dies hat die Vorteile einer starken internen Kopplung und einer einfachen Bedienung, da nur ein Programm, nur ein Gitter und nur ein Setup notwendig sind. Neben der eingeschränkten elektromagnetischen Komplexität ist aber auch der wesentliche Nachteil, dass Strömung und Elektromagnetik auf einem Gitter berechnet werden müssen, auch wenn jeweils an anderen Stellen feine Gitter nötig oder grobe Gitter möglich wären.

Elektromagnetik wird durch die Maxwellschen Gleichungen beschrieben. EM-Löser können diese Gleichungen mit ihren wesentlichen Termen lösen.


Elektrohydrodynamik

In der Elektrohydrodynamik (EHD) werden elektrisch geladene Partikel durch die Coulomb-Kraft vom elektrischen Feld beschleunigt, häufig kommt es zu einer feldabhängigen Migrationsgeschwindigkeit. Das elektrische Feld kann von außen angelegt sein oder durch die anderen Ladungen entstehen. Magnetische Effekte werden in der EHD vernachlässigt. Typische Beispiele sind Elektrophorese, Elektroosmose, Elektrolyse, elektrostatisches Lackieren oder galvanisches Beschichten.


Ferrohydrodynamik

In der Ferrohydrodynamik (FHD) werden magnetische Dipolpartikel durch die Kelvin-Kraft in einem magnetischen Feld ausgerichtet und beschleunigt. Das magnetische Feld kann von außen angelegt sein, z.B. durch Permanent- oder Elektromagnete, oder durch die Dipole entstehen. Beispiele sind Ferrofluide als Tinte oder für magnetische Dichtungen oder die Separation von magnetischen Erzen.


Magnetohydrodynamik

In der Magnetohydrodynamik (MHD) fließt in einem leitfähigen Fluid oder Festkörper durch eine angelegte elektrische Spannung ein elektrischer Strom; dieser erzeugt ein Magnetfeld, dazu kann ein äußeres Magnetfeld kommen. Auf das stromdurchflossene Fluid im Magnetfeld wirkt die Lorentzkraft. Der elektrische Strom führt zur Widerstandserwärmung (auch Ohmsche oder Joulsche Erwärmung). Beispiele sind Lichtbögen beim MSG- oder WSG-Schweißen, beim Plasmaschneiden oder bei elektrischen Schaltern, hydrodynamische Motoren oder Generatoren und Hartmannströmungen.

Numerische Strömungsakustik beschreibt die Entstehung von Schall durch zeitlich variable Strö­mungen. Durch Rückkopplungen mit der Struktur spielt hier auch Körperschall häufig eine Rolle. Typische Schallentstehungs­mechanismen in Strömungen sind Kavitation, Strö­mungsinstabilitäten und Resonatoren, typische Beispiele für lärmintensive Strömungen sind turbulente Freistrahlen und turbulente Grenzschichten im hohen Mach-Zahl-Bereich, Strö­mungen in Ventilatoren, Verdichtern, Armaturen und Verbrennungen. Die CFD-Simulation der Lärmentstehung ist zwangs­läufig transient (außer bei einfachsten statistischen Ansätzen) mit kleinen Zeitschrittweiten, die sowohl die Strömungsphänomene als auch den interessierenden Schallfrequenzbereich auflösen können, und mit Gittern und Turbulenzmodellen, die die wesentlichen turbulenten Anteile der Strömung darstellen können.

Die Strömungssimulation kann mit ihren modernen Simulationsverfahren und den zur Verfü­gung stehenden Hochleistungsrechnern lärmerzeugende Strömungen sehr detailliert abbil­den und veranschaulichen, wobei die Erzeugung von strömungsinduziertem Schall aufgrund verschiedener Mechanismen möglich ist. So sind Resonatoren als effiziente tonale Schall­erzeuger verhältnismäßig einfach zu simulieren, während die numerische Simulation von Schallentstehung durch Turbulenz mittels aktueller Grobstrukturmodelle möglich, doch nu­merisch aufwändig ist.


Simulation der Schallerzeugung durch Resonanzen

Effiziente schallerzeugende Strömungsformen sind strömungsmechanische Resonanzen, wie sie bei Helmholtz-Resonatoren oder Rijke-Rohren entstehen. Beim Helmholtz-Resonator wird ein über einen Hals an einen Strömungsraum anbundenes Volumen über­blasen (z.B. das Anblasen einer leeren Flasche), beim Rijke-Rohr werden durch eine Auf­triebsströmung an einem heißen Gitter die Grundmoden des offenen Rohres angeregt (thermoakustischer Resonator). In beiden Fällen erklingt ein oft erstaunlich lauter Ton.

Bei der Blockflöte wird die Instabilität der Schneidenströmung am Labium ausgenutzt, um zum Resonanzraum passende Töne zu er­zeugen. Solche Strukturen (angebundene Volumen, Rohre mit Wärmeübergängen, spitze Schneiden) sind häufig wenig beachtete Teile von komplexen Anlagen, die aber maßgeblich zur Lärmentstehung beitragen können.

Bei der Simulation ist die Beachtung der Kompressibilität des Fluids wesentlich, also zumindest die Benutzung des Idealen Gasgesetzes und einer Energiegleichung notwendig. Die Ausbreitung der Druckschwankungen, d.h. der Schallwellen, wird in der Simulation berücksichtigt.


Simulation von turbulenzdominiertem Lärm

Typische Strömungen in technischen Anlagen sind zumeist turbulent, d.h. es kommt, auch bei gleichmäßiger Anströmung, zu irregulären und zeitabhängigen Verwirbelungen verschie­denster Größenordnungen. Diese turbulenten Strukturen können auch mit Hochleistungs­rechnern nur in den seltensten Fällen vollständig abgebildet werden. Stattdessen werden Turbulenzmodelle benutzt, um nur einen Teil der Turbulenz berechnen zu müssen und den Rest modellieren zu können.

Die im industriellen Einsatz weitverbreiteten RANS-Turbulenz­modelle (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) erlauben vielfach stationäre Betrachtungen von turbulenten Strömungen, sind damit aber zur Simulation von Strömungslärm, bei dem die Schwankungen gerade den abzubildenden Schall erzeugen, nicht geeignet. Die modernen Grobstruktur-Turbulenzmodelle LES, DES und SAS bieten die Möglichkeit, diese schall­erzeugenden turbulenten Strukturen mit verhältnismäßig wenig Aufwand abzubilden, indem die niederfrequenten groben Wirbelstrukturen berechnet, die hochfrequenten kleinen Wirbel­strukturen jedoch nur modelliert werden.


Berechnung der Schallimmission im Fernfeld

Die numerische Simulation der Entstehung und Ausbreitung von strömungsinduziertem Lärm ist sehr aufwändig; deswegen wird mit einer Strömungs­simulation häufig nur die Lärmentstehung berechnet, während die Ausbreitung des Lärms zum Empfänger (Propagation) mit zusätzlichen Programmen gerechnet wird. Hierzu be­schränkt sich die Strömungssimulation auf das sogenannte Nahfeld, das die die Strömung beeinflussende Geometrie und alle schallerzeugenden Orte, die Schallquellen, beinhaltet. Das Gebiet außerhalb der Strömungssimulation wird mit Fernfeld bezeichnet

Wird hier an­genommen, dass sich die von den Schallquellen des Nahfelds ausgehenden Schallwellen ungestört mit konstanter Schallgeschwindigkeit ausbreiten können, so kann das Schallsignal am Empfangspunkt durch die Addition der Einzelsignale von den Schall­quellen bestimmt werden, wobei die verschiedenen Laufzeiten und Laufwege berücksichtigt werden müssen. Im Rahmen eines Forschungsprojekts wurde bei CFX Berlin hierfür ein Fernfeldlöser auf Basis der Ffowcs Williams-Hawkings-Gleichung entwickelt. Auf dem Markt sind weitere Programme verfügbar, die Quelldaten einlesen und Störkörper oder inhomogene Ausbreitungsbedingungen im Fernfeld berücksichtigen können.