Was man mit numerischer Strömungssimulation erreicht

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Verkürzen der Durchlaufzeit durch Vereinfachen der Modelle

Verwendet man detaillierte Modelle für die thermische Simulation von Produkten mit komplizierten Strukturen, beispielsweise Generatoren oder Motoren, oder für die Analyse der Temperaturverteilung von Leiterplatten oder Leistungselektronik, die aus einer großen Anzahl von Komponenten bestehen, erhält man sehr große Datensätze. Da auch die Hardware Beschränkungen unterliegt, werden bestimmte Bereiche weniger detailliert betrachtet, während auf Submodellen CFD und thermische Netzwerkberechnungen kombiniert werden.

Für RANS-Simulationen (Reynolds Average Navier Stokes) reichen die momentanen Ressourcen aus. Jedoch vergrößert sich das Netz beim Modellieren komplexer Strukturen beträchtlich. Deshalb ist es wichtig, dass man Vereinfachungen durchführt.

Natürlich lässt sich die gesamte CAD-Geometrie im CFD-Modell berücksichtigen, allerdings wird so für die Vernetzung und die Nachbearbeitung sehr viel Zeit benötigt. Deshalb wählt man für einzelne Geometriebereiche unterschiedlich feine Vernetzungen, die akzeptable Analysezeiten bei hinreichend genauen Simulationsergebnissen erlauben.

Simulationen nach einer geome­trischen Vereinfachung erfolgen schneller, da oft kein Vergleich unterschiedlicher Bedingungen erforderlich ist. Bei gesteigerter Rechenkapazität wird sich dies in Zukunft ändern und es werden unbegrenzte Ressourcen zur Verfügung stehen.

Entwicklung einer Methode zur Lichtbogenanalyse

Zu Beginn der Lichtbogenanalyse arbeiteten wir mit einem Lichtbogen zwischen einfachen stabförmigen Elektroden. Heute ist es möglich, die auf Produkte wie gekapselte Leistungsschalter, Luftleistungsschalter und Schutzschalter angewandte Spannung zu berechnen.

Ein Problem bei der Simulation besteht darin, dass die Ergebnisse konvergieren. Deswegen wurde eine Funktion zur Berechnung von Magnetfeldern auf der Grundlage des Biot-Savart’schen Gesetzes entwickelt. Während die Stabilität bei dieser Methode sehr hoch ist, steigt die Berechnungszeit in der Ordnung N², auch bei paralleler Berechnung unter Einsatz von Grafikprozessoren.

Zusätzlich wird für magnetische Werkstoffe wie Eisen die magnetisierende Stromstärke ermittelt und das Magnetfeld wird durch die Surface-Current-Methode berechnet − eine Art Boundary-Element-Methode. Man erhält Konvergenz, obwohl es einige Beschränkungen gibt, z.B. die Tatsache, dass der B-H-Wert und Wirbelströme nicht berücksichtigt werden können, da es sich um eine lineare Analyse handelt. Auch lässt sich die Anzahl der Oberflächenelemente nicht einfach steigern, weil bei der LU-Entmischung eine direkte Methode verwendet wird.

Wenn der Magnet eine komplizierte Geometrie hat oder wenn eine große Anzahl von Teilen vorhanden ist, können große Abweichungen zu den Ergebnissen der Messungen auftreten. Dies unterstreicht die Einschränkungen der Surface-Current-Methode. Entsprechend gibt es hohe Erwartungen an die Magnetfeldberechnungen mit der Finiten Elemente Methode (FEM) in STAR-CCM+.

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