Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Die Masche(n) der Simulanten

03.03.2014

Ein engmaschiges Gitternetz umgibt den Probanden, viele kleine Zellen drängeln sich nah an seinem Körper. Sie füllen den kompletten Raum aus.

Die Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik IBP wollen es ganz genau wissen, erfassen daher jeden Millimeter. Sie kennen die exakten Maße ihrer Testperson, wissen wie diese sich in unterschiedlichen Positionen verändern.


Wie engmaschig das Gitternetz um die virtuellen Probanden, Manikins genannt, sitzt, kann hier gut erkennen. Fraunhofer IBP


Für die Simulation mittels CFD müssen alle Randbedingungen bekannt sein: Schematische Darstellung der raumklimatischen Einflussfaktoren in einem Fahrgastraum. Fraunhofer IBP

Das Gitternetz sitzt deshalb wie angegossen. Mehrere Wochen hat es gedauert bis das Netz aus bis zu einer Million Zellen und mehr um den Probanden gestrickt war. Ein Glück, dass es in diesem Fall nicht um Versuche mit einer realen Person geht, sondern um eine Simulation. CFD, die numerische Strömungsmechanik, zu Englisch Computational Fluid Dynamics, wird überall da eingesetzt, wo es um Fluide (zum Beispiel Luft, Wasser oder Öl) und die Voraussage ihres Strömungsverhaltens geht. Sebastian Stratbücker, Leiter der Gruppe Simulation am Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP, und seine Mitarbeiter setzen das Verfahren hauptsächlich dann ein, wenn Fragestellungen aus dem Bereich Raumklima im Fokus stehen. Meistens geht es um Luft und wie sie sich im umbauten Raum verhält. »Mit unseren Simulationen helfen wir das Raumklima für Menschen und technische Anlagen zu optimieren«, erklärt Stratbücker.

»Dafür berücksichtigen wir unter anderem Bewertungsgrößen wie die thermische Behaglichkeit, Energieeffizienz, Feuchtigkeit sowie die CO2- und Schadstoffkonzentration.«

Doch warum ist eine Simulation wie CFD überhaupt von Bedeutung? »In den meisten Fällen kann man einfach nicht nach dem Prinzip ›Trial and Error‹ vorgehen«, erläutert der Diplom-Informatiker. »Das wäre selbst im Versuchsaufbau häufig viel zu zeitaufwendig und teuer.«
Will man beispielsweise einen Neubau errichten, ist die Planungsphase entscheidend.

Die Ausführenden müssen schon im Vorhinein viele wichtige Entscheidungen treffen, wie beispielsweise welches Lüftungssystem eingebaut wird. Um beurteilen zu können, ob das System die gewünschte Leistung erbringt, dabei gleichzeitig effizient und im Bestfall kostengünstig ist, brauchen die Planer Entscheidungshilfen. CFD kann eine sein.

So lassen sich damit Räume ganz genau erfassen, hier kommt das bereits beschriebene Gitternetz zum Einsatz. So kann zu jedem Zeitpunkt, an jedem beliebigen Punkt im Raum berechnet und dargestellt werden, wie das Raumklima ist – angefangen von der Luftgeschwindigkeit, über Temperatur und Druck hin zur Luftwechselrate und der Konzentration bestimmter Stoffe in der Luft.

Dazu müssen selbstverständlich die Randbedingungen klar sein. Diese können zum Beispiel über Labor- und Feldversuche messtechnisch ermittelt werden. Zum Einsatz kommt hier auch das eigens entwickelte Messsystem DressMAN 2.0. In anderen Fällen greifen die Wissenschaftler des Fraunhofer IBP auf eigene Datenbanken für bauphysikalische Kenngrößen, Konstruktionstypen, Gebäudetechnik und Nutzungsprofile zurück. Weitere Daten sammeln sie durch die Planungen ihrer Kunden.

Auf diese Weise erfasst das Rechenprogramm Größen wie die Geometrie des betreffenden Raumes mitsamt der Luftein- und -auslässe, den Luftaustausch zwischen Umwelt und Innenraum, die Heiz- und Kühlleistung des verwendeten Systems, die Nutzungszeiten des Raumes, welche Materialien dort verbaut werden und vieles mehr. Sogar die physikalischen Eigenschaften der Fenster oder die Art der Bekleidung der Gebäudenutzer werden bei Bedarf berücksichtigt. »Natürlich ist auch CFD aufwendig, dennoch lohnt es sich im Vergleich zum Trial-and-Error-Prinzip. Denn dadurch können Fehler bereits von Anfang an vermieden werden«, erklärt der Informatiker und ergänzt: »In dem wir verschiedene Szenarien durchspielen, können wir unterschiedliche Lösungsvorschläge ausarbeiten und analysieren. So kommen wir letztlich zu einem optimalen Systementwurf.«

Natürlich gilt das nicht nur für die Planungsphase von Neubauten. Auch für bereits bestehende Gebäude setzen die Fraunhofer-Forscher CFD ein, um Lösungsansätze für aufgetretene Probleme aufzuzeigen und zu entwickeln.

Zudem beschränkt sich diese Strömungssimulation nicht ausschließlich auf Gebäude, auch im Fahr- und Flugzeugbereich arbeiten Stratbücker und sein Team mit CFD. Untersuchungen im weltweit einzigartigen Fluglabor des Fraunhofer IBP (Flight Test Facility, FTF) bilden einen wesentlichen Teil der Validierungsarbeit für die Simulation. Im Gegenzug nutzen die Forscher CFD auch einmal außerhalb des für das Fraunhofer IBP klassischen Einsatzbereiches der Simulation von Luftströmungen. Bevor im vergangenen Jahr die neue Ground Thermal Test Bench im Fluglabor in Betrieb genommen wurde, mussten zahlreiche Komponenten des Systems optimiert werden.

Um beispielsweise im so genannten AirCraft Calorimeter (ACC) extremste Bedingungen wie Thermal Shock, das heißt schnelle Temperaturveränderungen, simulieren zu können, mussten die Kühl- sowie die Heizfunktion entlang der Flugzeugaußenhaut reibungslos funktionieren. So haben die Mitarbeiter der Gruppe Simulation den Kühlmitteltank der Ground Thermal Test Bench und den Kreislauf des Kühlmittels darin mittels CFD so optimiert, dass die Flüssigkeit exakt auf die erforderliche Temperatur herunter gekühlt wird, bevor sie wieder zum Flugzeug geleitet wird.

Somit profitieren nicht nur große Elemente, wie ganze Räume, sondern auch einzelne Komponenten, beispielsweise eines Lüftungssystems, von dieser Strömungssimulation. »CFD wird immer dann eingesetzt, wenn man nicht genau weiß, ob ein System so funktioniert wie man es sich denkt«, sagt Stratbücker. »Allerdings arbeiten wir je nach Fragestellung auch mit anderen Verfahren.« PIV, Particle Image Velocimetry, zum Beispiel dient dazu, Strömungsfeldgeschwindigkeiten zu messen und zu visualisieren. Dadurch hilft die Methode im Falle von CFD dabei deren Ergebnisse an kritischen Stellen zu überprüfen.

Für eine schnelle Abschätzung von Strömungsverhältnissen und Temperaturverteilungen im Innenraum haben IBP-Wissenschaftler das so genannte VEPZO-Modell (VElocity Propagating ZOnal Model) entwickelt, mit dem sich Lüftungskonzepte bewerten und lokal aufgelöst visualisieren lassen. »Das setzen wir ein, wenn Luft-Knoten-Modelle zu einfach sind und CFD wiederum zu aufwendig. Mit VEPZO können wir relativ rasch darstellen, was zum Beispiel der geschickte Einsatz von Pflanzen oder eine anwesenheitsorientierte Heizung in einem Raum bringen.«

Auf einige spannende, neue Projekte, bei denen CFD eingesetzt wird, freuen sich Sebastian Stratbücker und seine Mitarbeiter bereits. In alten Kirchen zum Beispiel stellt die Beheizung oft ein großes Problem dar. Meist werden die Heizungen nur temporär genutzt und die Wärme verpufft in den großen Räumen. »Wäre das System auf den Bedarf und lokal auf den Benutzer ausgerichtet, ließe sich eine große Kirche nutzergerecht heizen, ohne zu viele Wärmeverluste hinnehmen zu müssen. Wie das funktionieren kann, lässt sich mit CFD simulieren.«

Weitere Informationen:

http://www.ibp.fraunhofer.de/de/Presse_und_Medien/Forschung_im_Fokus.html

| Fraunhofer-Institut

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Architektur Bauwesen:

nachricht Modernes, ökologisches Familienhaus für Naturverbundene
03.08.2017 | Bau-Fritz GmbH & Co. KG, seit 1896

nachricht Die Stadt wird zur Bühne und Häuser zu Leinwänden
03.08.2017 | Technische Universität München

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Architektur Bauwesen >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

European Conference on Eye Movements: Internationale Tagung an der Bergischen Universität Wuppertal

18.08.2017 | Veranstaltungen

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Eine Karte der Zellkraftwerke

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Chronische Infektionen aushebeln: Ein neuer Wirkstoff auf dem Weg in die Entwicklung

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Computer mit Köpfchen

18.08.2017 | Informationstechnologie