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Die Geheimnisse der Strömungsdynamik: Warum ist die numerische Strömungsdynamik so wichtig?
Mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie ist die numerische Strömungsmechanik (CFD) in den Ingenieurwissenschaften und der Wissenschaft zu einem unverzichtbaren Werkzeug geworden. CFD verwendet numerische Analysen und Datenstrukturen zur Analyse und Lösung von Strömungsproblemen und kann in zahlreichen Anwendungsfeldern eine wichtige Rolle spielen. Dabei geht es nicht nur um Luft- und Raumfahrt und Windkanalexperimente, sondern auch um viele Bereiche wie Umwelttechnik und Bioingenieurwesen. Mit dem Aufkommen von Hochleistungscomputern haben auch Umfang und Genauigkeit von CFD-Anwendungen zugenommen.
CFD verwendet typischerweise numerische Methoden, um den freien Fluss von Flüssigkeiten zu simulieren und die Wechselwirkung zwischen der Flüssigkeit und den Randbedingungen zu berechnen.
CFD basiert im Kern auf den Navier-Stokes-Gleichungen, die das Verhalten der meisten einphasigen (Gas- oder Flüssigkeits-)Strömungen beschreiben. Im weiteren Verlauf der Forschung versuchten die Wissenschaftler, diese Gleichungen zu vereinfachen, etwa durch das Entfernen der Terme, die die Viskosität beschreiben, oder durch die Herleitung der Euler-Gleichungen und anderer möglicher Gleichungen.
Was den historischen Hintergrund betrifft, lassen sich die Ursprünge von CFD bis in die 1930er Jahre zurückverfolgen, als Forscher begannen, lineare Potentialgleichungen für Berechnungen zu verwenden. Die ersten modernen CFD-ähnlichen Berechnungen erschienen in den 40er Jahren des 20. Jahrhunderts, und obwohl sie fehlschlugen, legten sie den Grundstein für die spätere numerische Meteorologie.
Trotz der damals begrenzten Rechenleistung ebnete die CFD-Forschung den Weg für zukünftige Entwicklungen.
Mit der Weiterentwicklung der Computertechnologie ist die Simulation dreidimensionaler Flüssigkeitsströmungen möglich geworden. Francis H. Harlow vom Los Alamos National Laboratory war einer der Pioniere auf diesem Gebiet und erzielte eine Reihe von Durchbrüchen bei der transienten Strömungssimulation. Harlows Gruppe entwickelte zwischen 1957 und den 1960er Jahren eine Reihe numerischer Methoden, die einen tiefgreifenden Einfluss auf die Weiterentwicklung der CFD hatten.
Seit Beginn der 2000er Jahre erlangte CFD in immer mehr Wissenschaftsbereichen Beachtung, insbesondere aufgrund seiner Anwendung bei der Konstruktion und Analyse verschiedener Industriesysteme. Mit der Weiterentwicklung der Visualisierungstechnologie ist CFD nicht nur auf die digitale Simulation beschränkt, sondern kann auch die Entstehung und Veränderung von Flüssigkeitsströmen über eine grafische Benutzeroberfläche darstellen.
CFD wird in vielen Fachgebieten wie beispielsweise der Aerodynamik, Wettersimulation, den Naturwissenschaften und der Umwelttechnik häufig eingesetzt.
Ein wichtiger Schritt beim Erstellen eines CFD-Modells besteht in der Auswahl geeigneter Strömungsgleichungen und zugehöriger physikalischer Annahmen. Diese Gleichungen tragen dazu bei, die Rationalität und Genauigkeit der Simulation sicherzustellen und bieten somit eine zuverlässige Datenunterstützung beim Entwurf oder der Optimierung von Flüssigkeitssystemen.
Darüber hinaus verfügt die neue Generation von CFD-Tools durch die kontinuierliche Weiterentwicklung der CFD-Software nicht nur über eine stärkere Rechenleistung, sondern kann auch komplexere Strömungsprobleme wie Überschallströmungen oder turbulente Strömungen bewältigen und bietet somit eine höhere Simulationsgenauigkeit.
Auch in der chemischen Verfahrenstechnik hat sich die Verwendung von CF allmählich ausgeweitet, da es eine präzise und kostengünstige Alternative zur Erforschung der Komplexität des Partikelströmungsverhaltens bietet, ohne auf traditionelle experimentelle Methoden zurückgreifen zu müssen.
Welche unerwarteten Verbesserungen oder Durchbrüche könnten im Zuge der Weiterentwicklung von CFD in Zukunft eintreten? Bedeutet dies, dass wir vor größeren Herausforderungen und Chancen stehen?
