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Strömungs- und Fluidsimulationen

Zu kalt, zu stürmisch und dazu noch ziemlich nass – das Wetter orientiert sich nicht an Wünschen der Menschen. Aber was will man machen?

Beim Klima im Fahrzeuginneren wären wir da nicht so tolerant. Hier erwarten wir, egal, wann und wo wir unterwegs sind, dass wir nicht ins Schwitzen kommen, uns eine leichte, angenehme Brise umweht und wir im Winter nicht frieren. Wäre ja auch noch schöner!

Zum Glück gibt’s bei csi entwicklungstechnik Menschen, die wissen, wie man im Auto für das perfekte Wohlfühlklima sorgt. Und die sitzen zum Beispiel in unserer Berechnungs- und Simulationsabteilung.

 

Willkommen auf der dunklen Seite des Schachts.

Denn bereits lange bevor uns eine Brise durch die geöffneten Lamellen des Lüftungsschachtes sanft anströmt, beginnt das große Rechnen und Analysieren. Die Arbeit des Simulationsteams startet genauer gesagt schon, bevor überhaupt etwas Konkretes – wie Luftkanal oder Lamelle – da ist. Ähnlich wie Meteorologen aus Wettermodellen ihre Prognosen erstellen, so berechnen unsere Simulations-Cracks simulative Vorhersagen über Druckverluste, Strömungsgeschwindigkeiten und Strömungsverläufe im Innenraum eines Pkws. Sie klären also im Vorfeld ab, ob die Luft auch wirklich da ankommt, wo sie hin soll oder ob aus den Düsen ein Orkan bläst, der die Frisur gefährlich ins Wanken bringt.

Hierzu werden sogenannte CFD, Computational Fluid Dynamics, anhand von Konstruktionsdaten mittels OpenFoam-Software erstellt. Sie legen offen, ob alle Lastenheftanforderungen erfüllt werden bzw. wo es Schwachstellen und Verbesserungspotenziale gibt, die man bei der Konstruktion beachten muss.

 

Luftnummern? Da machen wir kurzen Prozess!

Optimal läuft es natürlich, wenn wir mit der Konstruktion und der Simulation eines Bauteils beauftragt sind. Denn dann können wir bei der Vernetzung Synergieeffekte zwischen der Konstruktion und der Simulation nutzen, um die Geometrieaufbereitung auf ein Minimum zu reduzieren. Dafür setzen wir den Preprozessor ANSA von der Firma BETA ein. Wenn Ihnen ANSA und BETA oder Vernetzung und Geometrieaufbereitung nichts sagen – kein Problem. Denn hier geht es – wie eigentlich immer – darum, durch intelligente (Software-)Lösungen Zeit einzusparen und dadurch den Entwicklungsprozess so kompakt wie möglich zu gestalten. ANSA erlaubt es uns, viele Abläufe vollautomatisiert durchzuführen und dadurch den Mannaufwand, aber auch Anwenderfehler zu reduzieren.

 Ist dann das fertige Berechnungsmodell vernetzt aufgebaut, können wir innerhalb kürzester Zeit viele Simulationsschleifen durchführen, um alle möglichen Optionen durchzuspielen. Dies gelingt uns durch eine starke Einbindung der Skriptsprache Python und allgemein durch die Shell-Skriptung innerhalb des Betriebssystems Linux. Kurz gesagt: Wir verkürzen den Entwicklungsprozess.

 

Das Optimum vor Augen

Ok. Theoretisch wissen wir dann schon ziemlich schnell, wo der Hase langläuft bzw. wie sich Druckverluste, Strömungsgeschwindigkeiten und -verläufe verhalten werden. Aber „theoretisch“ reicht bei der Entwicklung eines Autos bzw. des Interieurs nicht aus. Da geht es ganz praktisch um fertige Teile. Darum kümmert sich unsere Berechnungs- und Simulationsabteilung auch um die Optimierung von Bauteilen, in- dem sie mittels einer Optimierungsumgebung in LS-OPT von der Firma Dynamore den Geometrieaufbau checkt, das heißt berechnet. Die Berechnungsergebnisse können mit ParaView gekoppelt werden und zeigen den Konstrukteuren, wie sich Veränderungen bzw. Modifikationen auswirken.

 

Für unsere Lamellen des Innenraumausströmers hieße das zum Beispiel: Zuerst werden die Parameter für die Optimierung definiert. Auf Grundlage dieser Parameter ermittelt das Optimierungsprogramm LS-OPT die bestmögliche Geometrie, mit der das definierte Ziel erreicht werden kann. Die Geometrie wird dabei im Preprozessor ANSA über das Morphing variiert bzw. geformt. Jede Variation der Geometrie wird automatisiert in ein Simulationsmodell über- führt, berechnet und die Ergebnisse ausgewertet, um den Einfluss der Änderung(en) bewerten zu können.

 

Wissen, schaffen

Anders als Meteorologen können wir bei csi aber mehr als Dinge vorhersehen oder berechnen. Wir haben dank unserer hauseigenen Konstruktionskompetenz die Dinge häufig selbst in der Hand. Das heißt, wir können unsere Erkenntnisse aus den Simulationen direkt in die Konstruktion einfließen lassen. Durch den Einsatz des in CATIA-integrierten Tools FloEFD lassen sich die Entwicklungszeiten weiter verkürzen. Die „abgespeckten“ EFD-Simulationen (Engineering Fluid Dynamics), mit denen unsere Konstrukteure arbeiten, werden regelmäßig durch CFD- Analysen ergänzt, um alle möglichen auftreten- den physikalischen Effekte zu betrachten.

 

Ein heißes Thema: Batterien

Neben Luftströmungen sind die Multiphasensimulation und die stationäre oder transiente Wärmeübertragung eines der großen Themenfelder, mit denen sich das csi Berechnungsteam befasst. Und dank steigender E-Mobilität nimmt es einen immer größeren Umfang ein. Die Multiphasensimulation kommt zum Beispiel bei der Entwicklung von Kühlplatten für batteriebetriebene Fahrzeuge zum Tragen. Mittels der Multiphasensimulation wird analysiert, ob der Kühlkreislauf so aufgebaut ist, dass er durch seine geometrische Form bei der Erstbefüllung vollständig entlüftet werden kann. Außerdem können wir bei csi untersuchen, ob der anfallende Wärmeeintrag durch die Batteriezellenpakete zuverlässig abgeführt wird. Anhand der Betrachtung der Temperaturverläufe kann die Effizienz der Kühlung bewertet werden. Ist der Temperaturverlauf weitestgehend homogen, spricht das für die Betriebsfestigkeit des Kühlplattensystems. Es wird Sie nicht wundern, dass unsere Berechnungs- und Simulationsabteilung natürlich auch Tools hat und einsetzt, mit denen sich diese Betriebsfestigkeitsvorhersagen machen lassen. Denn das gehört schließlich auch dazu, um sicherstellen zu können, dass man sich im Fahrzeuginneren nicht plötzlich auf einem heißen Stuhl wieder- findet, während einem eine angenehme Brise um die Nase weht ...

 

VALERIJ SCHWIDERIK
csi entwicklungstechnik | Neckarsulm | Projektleiter Simulation
Valerij.Schwiderikcsi-onlinede

Valerij Schwiderik | Projektleiter Simulation


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