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2013 | Buch

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CFD-Modellierung

Grundlagen und Anwendungen bei Strömungsprozessen

verfasst von: Rüdiger Schwarze

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

In diesem kompakten Lehrbuch wird die Methodik der numerischen Simulation von Strömungsprozessen erklärt. Die Grundlagen werden in hinreichender Tiefe vorgestellt, gleichzeitig wird die Anwendung der Methodik an verschiedenen Beispielen demonstriert. Die Beispiele umfassen sowohl einfache als auch komplexe Probleme. Die einfachen Problemstellungen können vom Leser im Selbststudium mit Hilfe von gängigen CFD-Softwarepaketen bearbeitet werden. Die komplexen Probleme sind aus aktuellen grundlagenorientierten und anwendungsnahen Forschungsprojekten des Autors abgeleitet. Die Besonderheit des Buches liegt darin, dass dem Leser das Potenzial der vorgestellten Methodik durch die Anwendung auf komplexere, praxisrelevante Beispiele demonstriert wird.

Das Buch wendet sich an Studierende der Ingenieurwissenschaften, insbesondere des Maschinenbaus und der Verfahrenstechnik sowie verwandter Studienrichtungen wie Physik und angewandte Mathematik, Ingenieure und Naturwissenschaftler, die CFD-Simulationen einsetzen wollen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Grundlagen

Frontmatter

1. Computational Fluid Dynamics

Zusammenfassung

Strömungen sind häufig komplexe Vorgänge. Um sie verstehen zu können, müssen raffinierte Untersuchungsmethoden eingesetzt werden. Die Computational Fluid Dynamics zählt zu diesen Methoden. Dieses Kapitel gibt eine Übersicht über die wesentlichen Elemente, Begriffe und Eigenschaften der Methode.

Rüdiger Schwarze

2. Rechengitter

Zusammenfassung

Bei der CFD-Simulation werden die Strömungsgrößen f in endlich vielen Punkten des Untersuchungsgebietes bestimmt. Durch das Rechengitter wird dabei festgelegt, wie diese Punkte im Raum und an den Rändern des Gebiets verteilt sind. Deswegen ist die Erzeugung des Rechengitters von großer Bedeutung für den ganzen Modellierungsprozess. Ein Gitter mit schlechter Qualität führt zu großen Fehlern im CFDModell, die sogar das Scheitern der CFD-Simulation verursachen können. Dieses Kapitel stellt die wesentlichen Begriffe und Techniken vor, die für die Erstellung und den Umgang mit Rechengittern benötigt werden. Außerdem wird die Vernetzung von Strömungsgebieten anhand verschiedener Beispiele diskutiert.

Rüdiger Schwarze

3. Mathematische Modelle einer Strömung

Zusammenfassung

Ein physikalisches Strömungsproblem wird mathematisch durch die Erhaltungssätze für Masse, Impuls und Energie beschrieben. Die Herleitung der entsprechenden partiellen, nichtlinearen Differentialgleichungen ist in den Lehrbüchern zur höheren Strömungmechanik ausführlich dokumentiert und wird hier nicht wiederholt. Vielmehr wird in diesem Kapitel herausgearbeitet, dass sie eine formal ähnliche Struktur besitzen, die durch eine Modellgleichung beschrieben werden kann. Außerdem wird erläutert, wie sich mathematische Modelle für Strömungen Newtonscher Fluide aus der Modellgleichung entwickeln lassen.

Rüdiger Schwarze

4. Numerische Methoden

Zusammenfassung

Im letzten Kapitel wurde gezeigt, dass mathematische Modelle von Strömungen aus einer prototypischen Modellgleichung entwickelt werden können. Diese Kapitel zeigt, wie die Modellgleichung mit der Finite-Volumen-Methode in Kombination mit Verfahren zur numerischen Differentation, Interpolation und Integration in eine numerisch lösbare Differenzengleichung überführt wird. Außerdem werden die in CFD-Simulationen üblicherweise genutzten iterativen Lösungsverfahren vorgestellt. Schließlich wird diskutiert, wie die Genauigkeit und Güte eines CFDModells und der Ergebnisse einer CFD-Simulation bewertet werden kann.

Rüdiger Schwarze

Anwendungen

Frontmatter

5. Newtonsche Strömungen

Zusammenfassung

In Abschnitt 3.3 sind mathematische Modelle für Strömungen Newtonscher Fluide vorgestellt worden. In diesem Kapitel werden nun die Lösungsverfahren diskutiert, mit denen (3.17) - (3.19) für das allgemeine Problem bzw. (3.20) und (3.21) für eine inkompressible, isotherme Strömung in CFD-Modellen üblicherweise gelöst werden.

Rüdiger Schwarze

6. Turbulente Strömungen

Zusammenfassung

In CFD-Simulationen werden häufig turbulente Strömungen untersucht. In diesem Kapitel wird gezeigt, wie mathematische Modelle für diese Strömungen formuliert werden können. Da Turbulenz ein sehr komplexes Phänomen ist, werden physikalische Modelle eingeführt, die dass zu lösende Strömungsproblem zum Teil stark vereinfachen. Die Grundlagen der unterschiedlichen Modelle werden vorgestellt. Schließlich wird ein Ausblick auf aktuelle Entwicklungen bei der Turbulenzmodellierung gegeben.

Rüdiger Schwarze

7. Anwendungen

Zusammenfassung

Wie bereits in Kapitel 1 beschrieben, wird CFD heute nicht nur in den klassischen Forschungsfeldern der Strömungmechanik, sondern auch in vielen anderen Fachgebieten der Natur- und Ingenieurwissenschaften eingesetzt. Die nachfolgenden Beispiele aus aktuellen Forschungs- und Entwicklungsprojekten des Autors sollen verdeutlichen, wie vielfältig die Einsatzgebiete für CFD heute sind. Der kleine Einblick in das breite Anwendungsspektrum soll den Leser motivieren, sich auch weiter intensiv mit CFD zu beschäftigen. Erst durch die selbständige Bearbeitung kleinerer und größerer Projekte wird die Routine gewonnen, die für den sicheren Umgang mit CFD erforderlich ist.

Rüdiger Schwarze

Backmatter

Titel: CFD-Modellierung
verfasst von: Rüdiger Schwarze
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-642-24378-3
Print ISBN: 978-3-642-24377-6
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-24378-3

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