SIMULIA XFLOW: Exakte Simulation auf der Grundlage der Lattice-Boltzmann-Methode

Bei der Lösung von CFD1-Problemen (instationärer Strömungen die häufig bei der Umströmung komplexer Volumenkörper auftreten, wie sie beispielsweise an der Oberfläche eines Automobils entstehen) ist das Ergebnis der Simulation in hohem Maße von der Qualität des Netzes abhängig.

Deshalb verbringen Ingenieure häufig viel Zeit mit der Netzdiskretisierung, anstelle der Lösung des technischen Problems. Liegt eine gegenseitige Beeinflussung von Struktur und Strömung vor, wie bei elastischen oder verformbaren, schwingfähigen, drehbar oder verschiebbar gelagerten, umströmten oder durchströmten Strukturen (Fluid-Struktur-Kopplung), müssen diese Faktoren in der Berechnung berücksichtigt werden. SIMULIA XFlow verwendet für die exakte Strömungsberechnung (CFD1) unter Berücksichtigung der oben genannten Einflüsse eine neue Technologieentwicklung, die partikelbasierte Lattice-Boltzmann-Technologie. Diese Technologie ermöglicht Anwendern die exakte Berechnung komplexer CFD-Probleme mit hochfrequent schwankender Aerodynamik, realen beweglichen Geometrien, komplexen Mehrphasenströmungen, Fluid-Struktur-Kopplung ( FSI fluid-structure interaction) und Aeroakustik.

Die automatische Rastergenerierung von XFlow und die adaptiven Verbesserungsfähigkeiten zur Minimierung von Benutzereingaben, reduzieren Dauer und Aufwand für die Vernetzung und die Vorbereitungsphase eines typischen CFD-Workflows. Das ermöglicht die Fokussierung auf die Entwurfsiteration und -optimierung, statt auf den zeitaufwändigen Vernetzungsprozess.

Mit dem Diskretisierungsansatz von XFlow ist die Oberflächenkomplexität zudem kein begrenzender Faktor mehr. Das zugrunde liegende Raster kann mit wenigen Parametern gesteuert werden. Es kann Geometrien unterschiedlicher Qualität verarbeiten und berücksichtigt auch bewegliche Teile.

Zusätzlich sorgen erweiterte Rendering-Funktionen für eine realistische Darstellung und umfangreiche Erkenntnisse in der Strömungs- und Thermik-Performance. Die Fähigkeiten von XFlow ermöglichen Unternehmen die Reduzierung physikalischer Tests während der Entwicklung, um schneller bessere Konstruktionsentscheidungen treffen zu können.

CFD1 =computational fluid dynamik

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Windkraftanlage Simulation mit XFLOW

Numerische Methoden

In der nicht-gleichgewichtigen, statistischen Mechanik beschreibt die Boltzmann-Gleichung die statistische Verteilung von Teilchen in einem Medium. Eine wichtige Anwendung, die durch die Boltzmann-Gleichung beschrieben wird, ist beispielsweise die Strömung in einem verdünnten Gas oder die Verteilung von Neutronen in einem Kernreaktor. XFlow nutzt diese mathematische Grundlage in seinem partikelbasierten Kinetikalgorithmus, der speziell für eine optimierte Performance entwickelt wurde. Der Diskretisierungsansatz von XFlow vermeidet den klassischen Vernetzungsprozess, so dass die Oberflächenkomplexität kein einschränkender Faktor mehr ist. Die Anwender können die Detailtiefe des zugrunde liegenden Rasters problemlos mit wenigen Parametern einstellen. Das generierte Netz kann Geometrien unterschiedlicher Qualität verarbeiten und passt sich auch beweglichen Teilen an. XFlow passt den Geometriemaßstab automatisch an die Benutzeranforderungen an, wodurch die Lösung (Druck-, Temperaturverteilung usw.) an den Wänden verbessert, die Präsenz starker Gradienten dynamisch angepasst und die Wirbelströmung entlang der Strömungsentwicklung verbessert wird. Mit dem Wall-Modeled Large Eddy Simulation-Ansatz (WMLES) werden Turbulenzen berücksichtigt. XFlow nutzt eine einheitliche Nichtgleichgewichts-Wandfunktion für die Modellierung der Grenzschicht. Dieses Wandmodell kann in den meisten Fällen verwendet werden, so dass dieses nicht für jede neue Berechnung definiert werden muss. Die Performance liefert ähnliche CPU-Laufzeiten wie die meisten Codes, die jedoch nur RANS-Analysen bieten.

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Der neue Ansatz auf Grundlage der Boltzmann-Gleichung bietet mehr Flexibilität bei der Simulationsberechnung

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Tragflügelsimulation mit WMLES Modell

SIMULIA XFLOW. Exakte CFD AUF GRUNDLAGE DER LATTICE-BOLTZMANN-METHODE

Co-Simulationen mit Simulia Abaqus

Simulia XFlow und Abaqus können gekoppelt werden um fortgeschrittene Fluid-Struktur-Interaktionsanalysen (FSI) durchzuführen. Der gegenseitige Austausch von Informationen erfolgt mit Hilfe von Abaqus Co-Simulationsengine (CSE 2 ) über der Co-Simulation-Grenzregion. XFlow behandelt diese Grenzregion als feste bewegliche Randbedingung, an der die No-Slip-Bedingung3 angewendet werden muss. Abaqus wiederum erfordert externe Fluidlasten, die auf der Oberfläche der Grenzregion wirken.

2 = co simulation engine in Abaqus

3 = Haftbedingungen

Bild1

Datenaustausch zwischen XFlow und Abaqus

Bild2

FSI mit XFlow und Abaqus

Bild3

XFlow Einstellungen: Freie Flächen, 3D Simulation und Zeitschritt 5e-6

Bild4

Abaqus Einstellungen: Explizite Dynamik, nichtlineare Elemente und große Deformationen