Simulationen leicht gemacht

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Cloud-Computing eröffnet vielfältige Möglichkeiten für CFD

Seit dem Aufkommen des Cloud-Computings sind die Rechenkosten so niedrig wie nie zuvor und stellen für ein numerisches Analysesystem wie CFD keinen Engpass mehr dar. In der Vergangenheit verhinderten die Kosten für eine kommerzielle Lizenzierung häufig eine verbreitete Nutzung verfügbarer Plattformen. In dieser neuen Landschaft konkurriert Open-Foam als Open-Source-Alternative mit kommerziellen Softwarepaketen.

Mit Open-Foam lassen sich Simulationen auf mehrere Rechenressourcen verteilen, sodass eine hohe Rechenleistung zu geringen Kosten erreicht werden kann. Für eine sich wiederholende Aufgabe wie die Konstruktion eines Transformators stellt eine automatisierte Plattform auf der Basis von Open-Foam eine gute Lösung für genaue thermische Berechnungen dar.

Automatisierung von CFD-Simulationen

Dry-Foam („Dry“ für Trockentransformator und „FOAM“ für Open-Foam) geht zurück auf einen Workshop im Jahr 2016 unter dem Titel „Themal Issues on Electrical Machines“. Der Erfahrungsaustausch in den Bereichen Open-Source-Computing, Wärmemanagement, Entwicklung von Simulationssoftware und neue Verfahren des Cloud-Computing führte 2017 zu einem IT-Projekt mit folgenden Zielen:

• Bereitstellung eines einfachen und zuverlässigen Tools zur Durchführung von Fluidströmungs- und thermischen Simulationen von Trockentransformatoren

• Nutzung von Open-Source-Technologien, um die Betriebskosten möglichst gering zu halten

• Nutzung von Cloud-Computing (Microsoft Azure), um die Rechenkosten zu reduzieren

• Einfache Gestaltung der Lösung, sodass sie von jedem Ingenieur in einem Trockentransformatorenwerk genutzt werden kann, und zwar unabhängig von seinem Hintergrundwissen im Bereich Thermofluiddynamik.

Dry-Foam extrahiert automatisch geometrische Parameter

Dry-Foam beginnt mit einer einzigen universellen Eingabedatei, die auch vom Common Design System (CDS) von ABB für die Konstruktion von Transformatoren verwendet wird. Das System extrahiert automatisch die geometrischen Parameter wie Wicklungs-, Kern- und Gehäuseabmessungen, Lasten (Verluste) und Randbedingungen (Umgebungstemperatur). Octave-Skripte (ein weiteres Open-Source-System ähnlich der kommerziellen Software Matlab) übernehmen dann die Erstellung eines axialsymmetrischen repräsentativen 2D-Modells eines Transformators einschließlich Kern, Wicklungen, Kühlkanälen, Gehäuse, Lüftungsöffnungen und dem Luftraum um das Gerät.

Finite-Volumen-Gitter werden entsprechend den Anforderungen von CFD-Methoden erzeugt, sodass die notwendige Qualität der Elemente und die Details der Grenzschichten für die Berechnung der wandnahen Strömungen bei natürlicher und erzwungener Konvektion sichergestellt sind.

Und schließlich sorgt der Dry-Foam-Workflow für die Zuweisung der Wärmequellen, Materialeigenschaften, Randbedingungen und Solvereinstellungen. Ist das Modell fertiggestellt, beginnt Dry-Foam mit den Berechnungen und erstellt einen Bericht, sobald der Solver eine stabile Lösung gefunden hat.

Automatisierte Berichte zeigen Konstrukteuren abstrahierte Informationen

Die automatisierte Berichterstellung ist eines der Hauptmerkmale von Dry-Foam, da dies die Kommunikation der Ergebnisse in einem für alle Konstrukteure lesbaren Format erleichtert. Dabei wird die Komplexität der Simulation abstrahiert, und den Konstrukteuren werden die wichtigsten Informationen zum Wärmeverhalten von Kern und Wicklung angezeigt. So kennen sie nicht nur die durchschnittlichen Wicklungstemperaturen, sondern auch die Temperaturen und die Lage der Heißpunkte. Ein Bericht kann anschließend heruntergeladen oder im System gespeichert werden.

Vielversprechender Ansatz mit Dry-Foam in der Cloud

Von der Implementierung her ist Dry-Foam vollständig containerisiert und kann daher auf einem Laptop, Arbeitsplatzrechner oder in der Cloud genutzt werden. Cloudlösungen scheinen besonders vielversprechend, da eine vordefinierte Cloud-Benutzeroberfläche für Dry-Foam die Datensicherheit gewährleistet und ein schnelles und einfaches Eingeben und Hochladen von Dateien, Herunterladen von Berichten sowie die Online-/Live-Darstellung von Parametern zur Stabilität der Lösung bei verschiedenen Iterationen ermöglicht.

In seiner derzeitigen Form ermöglicht die Dry-Foam-Software 2D-Berechnungen von zwei Konstruktionsarten, doch es gibt Pläne für detailliertere 3D-Berechnungen, die die Simulation von anderen Transformatortypen wie Resibloc- oder Traktionstransformatoren ermöglichen. Vor allem aber kann das Gerüst des Tools problemlos für die Simulation anderer ABB-Produkte angepasst werden.

Dieser Beitrag erschien zuerst auf unserem Partnerportal www.konstruktionspraxis.de

* Boguslaw Samul, Andrzej Kobierski, Janusz Duc: ABB Corporate Research, Krakau, Polen

* Jaydeep Deshpande, ABB Power Grids, Dry Transformers, Raleigh, NC, USA

* Jan Westerlund, ABB Motors and Generators Technology, Helsinki, Finnland

* Dietrich Bonmann, ABB Power Grids, Power Transformers, Bad Honnef, Deutschland

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