COMPUTATIONAL-FLUID-DYNAMICS (CFD)
Numerische Strömungsmechanik: Strömungseffekte in Raum und Zeit
In der numerischen Strömungsmechanik wird die Mechanik von Flüssigkeiten und Gasen mathematisch modelliert und mithilfe von Computern numerisch analysiert.
MODELLBILDUNG UND NUMERISCHE VERFAHREN
Mathematisch kann die Mechanik von Fluiden mit den Navier-Stokes-Gleichungen beschrieben werden. Mit ihnen ist die Masse-, die Impuls- und die Energieerhaltung am differentiellen Element formuliert. Näherungslösungen können sowohl mit der Finite-Elemente-Methode als auch mit dem Finite-Volumen-Verfahren berechnet werden. Neben den Navier-Stokes-Gleichungen kann die Mechanik von Fluiden auch mithilfe der Boltzmann-Gleichung modelliert werden. Dies führt zum Lattice-Bolzmann-Verfahren, das in den letzten Jahren aufgrund zunehmender Rechenleistung an Bedeutung gewonnen hat.
DIFFERENTIATION VON STRÖMUNGEN
Unterschieden wird im Wesentlichen zwischen inkompressiblen und kompressiblen Fluiden, laminaren und turbulenten Strömungen. Kann in Abhängigkeit von der Anwendung inkompressibles Verhalten in guter Näherung unterstellt werden, reduzieren sich die Modellgleichungen auf die Impulserhaltung und die Kontinuitätsgleichung, eine besondere Form der Masseerhaltung. Typische Anwendungsbeispiele sind winderzeugte Schwingungen von Brücken oder Meeresströmungen. Wird hingegen die Form eines Flugzeugflügels optimiert oder die Mechanik eines Stoßdämpfers analysiert, ist die Strömung als kompressibel zu modellieren und die Energieerhaltung in den Satz der Modellgleichungen mit aufzunehmen, wenn der Einfluss der Temperatur untersucht werden soll. Turbulente Strömungen sind durch lokale Wirbel und stark fluktuierende Geschwindigkeitsfelder geprägt. Im Gegensatz zu laminaren Strömungen durchkreuzen sich bei turbulenten Strömungen die Strömungslinien auf denen sich die materiellen Teilchen bewegen.
