CAE / CFD Was man mit numerischer Strömungssimulation erreicht

Autor / Redakteur: Tsutomu Yamamoto, Yoshiaki Enami und Kimihisa Kaneko * / Kristin Rinortner

Ingenieure von Fuji Electric erläutern in diesem Artikel, wie sie Methoden zur Strömungssimulation mit STAR-CCM+ anwenden, um elektrische, thermische und Strukturparameter zu optimieren.

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Numerische Strömungssimulation: Temperaturverteilung in einer Brennstoffzelle
Numerische Strömungssimulation: Temperaturverteilung in einer Brennstoffzelle
(Bild: Fuji Electrics)

In diesem Artikel erläutern Tsutomu Yamamoto, Yoshiaki Enami und Kimihisa Kaneko, Simulationsfachleute bei Fuji Electric, wie sie Methoden zur Strömungssimulation mit STAR-CCM+ anwenden. Die Ingenieure der Abteilung Thermal System Technology im Application Technology Research Center von Fuji Electric nutzen CAE-Software bei der Leistungsprüfung und Produktentwicklung. Die Abteilung arbeitet an neuen Techniken für die Struktursimulation, die thermische Strömungssimulation sowie die elektromagnetische Feldsimulation, während sie gleichzeitig mit den Abteilungen für Produktentwicklung und Konstruktion zusammenarbeitet.

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Simulation zur Optimierung bei der Produktentwicklung

Die optimierten Produkte werden in Kraftwerken, Umspannwerken, als Leistungselektronik-Komponenten, in der Halbleiterindustrie und Automation eingesetzt. Die Gruppe erhält Berechnungsanfragen aus allen Bereichen des Unternehmens. Dabei geht es nicht nur um einfache Simulationen, sondern auch um die Optimierung bei der Produktentwicklung, beispielsweise durch welche Struktur aktuelle Probleme gelöst oder wie Leistungsfähigkeit und Ausfallsicherheit verbessert werden können.

Die Ingenieure des Advanced Technology Laboratory sind für CAE verantwortlich, wobei Struktursimulationen und thermische Strömungssimulationen zur Bewertung von Produktleistung und -zuverlässigkeit die wichtigsten Aufgabengebiete sind. Getestet werden gekoppelte Simulationen für Analysen in Bereichen, in denen dies früher nicht möglich war. Ein neues und besonders gefragtes Thema ist die Wechselwirkung zwischen Lichtbogen und Stromunterbrechung durch die Kopplung von Struktursimulation, thermischer Strömungssimulation sowie elektromagnetischer Feldsimulation.

CFD – unersetzliches Werkzeug bei der Produktentwicklung

Besonders die Implementierung von Prototypentests bei Komponenten für Kraftwerke und Transformatorenstationen ist schwierig. Detaillierte Messungen sind zunächst kompliziert und ohne CFD (computational fluid dynamics, numerische Strömungssimulation) wäre die Entwicklung neuer Produkte schwierig. Auch sind im Bereich Leistungselektronik sehr kurze Entwicklungsperioden erforderlich.

Die Produktentwicklung wird durch eine Kombination von Prototypenevaluierung und Verifizierung durch Analyse durchgeführt, aber detaillierte Messungen und Evaluation können erst erfolgen, wenn die Gehäusekonstruktion ein bestimmtes Stadium erreicht hat, speziell bei der Kühlung. Eine optimierte Entwicklungszeit kann erzielt werden, wenn man die Analyse im Voraus durchführt und die Vorschläge für das Strukturdesign eingrenzt.

Aufgrund der großen Anzahl von Produkten ist es nicht einfach, die Evaluierungs- und Untersuchungsmethoden zu standardisieren oder eine Routine festzulegen. Wenn die Produktstruktur zu einem bestimmten Grad festgelegt wurde oder wenn die Evaluierung für eine Fallstudie durchgeführt wird, kann man diese Methoden durch den Einsatz einer Makroprogrammierung automatisieren, um so die Arbeitseffizienz zu steigern.

Schnelle Berechnung des Stroms in der Lichtbogenanalyse

Die Produkte, für die eine Analyse angefragt wird, sind meist keine Serienprodukte sondern maßgeschneidert. Aus diesem Grund muss man mit der Erstellung der Modellgeometrie beginnen.

Hier ist der Vernetzer in STAR-CCM+ ein leistungsstarkes Werkzeug, denn nachdem das 3D-CAD-Modell implementiert ist, kann er eine Reihe von Prozessschritten in einem sehr kurzen Zeitrahmen abarbeiten. Somit kann man sehr schnell von der Erstellung der Vernetzung zur Evaluierung der Leistung übergehen.

Die Berechnung des Stroms in der Lichtbogenanalyse wird mit dem elektrodynamischen Potenziallöser in STAR-CCM+ mit doppelter Genauigkeit durchgeführt. Soweit wir wissen, wird zurzeit an einem Finite-Elemente-Löser gearbeitet. Wir erwarten, dass damit das Problem gelöst wird, dass man momentan noch nicht in der Lage ist, in Teilen, in denen sich die Plasmaleitfähigkeit abrupt ändert, die Stromkontinuität aufrechtzuerhalten.

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, beispielsweise 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.

Hohe Erwartungen an Magnetfeldberechnungen mit FEM

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+.

Man sagt, dass für Produkte für Überseemärkte häufig höhere Umweltstandards gefordert werden als für Produkte für den heimischen japanischen Markt. Dies gilt insbesondere für Elektrokomponenten für Schienen oder Fabriken, die im Freien betrieben werden. Deshalb darf Sand, Staub oder Schnee nicht in das Produkt eindringen.

Daher werden Untersuchungen mit Lagrange‘schen Zwei-Phasen-Strömungsmodellen durchgeführt. Wenn Filter als Mittel gegen Sand und Staub eingesetzt werden, ist es erforderlich, dass die innere Temperatur der Komponenten problemlos festgelegt werden kann.

Mit CFD prüfen, ob Normen eingehalten werden können

Darüber hinaus müssen Produkte mit Brennstoffzellen für den europäischen Markt Normen wie die CE-Kennzeichnung erfüllen. Damit den Normen für den Explosionsschutz genüge getan wird, verwenden wir CFD um zu prüfen, ob zum Zeitpunkt der potenziellen Leckage die Konzentrationen entflammbarer Gase unterhalb der Explosionsschwelle liegen.

Wenn CFD auf die Produktentwicklung angewandt wird, müssen die Analysefehler ebenso wie die verbesserungswürdigen Bereiche für das Produkt analysiert und bearbeitet werden, nachdem die Simulationsergebnisse mit den gemessenen Daten verglichen wurden.

Gründe und Voraussetzungen für die Nutzung von STAR-CCM+

STAR-CCM+ setzen wir als wichtigstes Werkzeug in unserem Arbeitsalltag ein. Mit den ziemlich umfassenden Funktionen sind wir recht zufrieden. Die Automatisierung durch ein JAVA-Makro ist einfach nutzbar, in dieser Hinsicht ist STAR-CCM+ sehr viel flexibler als STAR-CD. Das Add-on STAR-CCM+ Optimate+ ist am Arbeitsplatz ebenfalls verfügbar, wir planen für die Zukunft den Einsatz parametrischer Optimierung.

Sehr hilfreich ist es, dass Support und Services immer effizient und effektiv sind, wenn es darum geht, bei der Problemlösung zu unterstützen. Der Hersteller ist für seine sehr umfassenden Support-Hilfen und Handbücher zu bewährten Verfahren bekannt, aber gleichzeitig wünschen wir uns hier auch zusätzliche Erweiterungen.

Die bewährten Verfahren für Analyseverfahren und Methoden zum Festlegen von Bedingungen, die in unterschiedlichen Bereichen zur Grundlage geworden sind, sind sehr nützlich, denn unsere Gruppe wird häufig gebeten, in relativ kurzer Zeit Evaluierungen für unterschiedliche Abteilungen von Fuji Electric durchzuführen.

* Tsutomu Yamamoto, Yoshiaki Enami und Kimihisa Kaneko arbeiten als Simulationsingenieure bei Fuji Electric in Tokio, Japan.

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