Strömungssimulationen an den Grenzen der High-Tech-Computer

Warum die raue Oberfläche der Haifischhaut einen geringeren Strömungswiderstand bildet als manch windschlüpfrige High-Tech-Entwicklung, wird sich in Zukunft sicher klären lassen. Denn mit immer leistungsfähigeren Computern werden erst jetzt Gleichungen für komplexe Strömungen analytisch lösbar. Heute geht es am Lehrstuhl von Prof. Dr.-Ing. Viktor Scherer (Energieanlagen und Energieprozesstechnik, LEAT) etwa darum, in Gasturbinen gezielt den Zustand anzusteuern, in dem das Brennstoff-Luft-Gemisch schadstoffarm und effektiv verbrennt. Auf einer Fläche von zwei mal zwei Zentimetern verfolgen die Forscher auf dem Monitor, wie in Sekundenbruchteilen winzige Wirbel entstehen und vergehen.

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Wo alles von allem abhängt

Die meisten technisch interessanten Strömungen sind turbulent. Während sie entlang der Autokarosserie hohe Widerstandskräfte verursachen, verbessern sie die Mischung von Kraftstoff und Luft im Zylinder von Motoren. Will man das Verhalten komplexer Strömungen beschreiben, dann muss dies zeitabhängig erfolgen, wobei jeder Punkt im Strömungsfeld von jedem anderen beeinflusst wird. Entsprechende Gleichungen waren bislang analytisch unlösbar. Erst jetzt gelingt es den Forschern ähnlich einem Foto bei langer Belichtungszeit eine Strömung zu berechnen (RANS-Simulation, Reynolds averaged Navier-Stokes), mehr noch – durch Direkte Numerische Simulation (DNS) erhalten sie durch viele einzelne Bilder quasi einen Film des Strömungsvorgangs.

Eine Woche rechnen für eine tausendstel Sekunde

Da eine Strömung neben Ausgangsparametern wie Druck oder Temperatur auch durch die ablaufenden chemischen Reaktionen beeinflusst wird, beziehen die Ingeniere heute schon bis zu 40 chemische Verbindungen (Spezies) in ihre Berechnungen ein. Bei der Zündung eines Brennstoff-Luft-Gemisches werden etwa 19 Spezies berücksichtigt. Die Simulation von 0,001 Sekunden Dauer auf einem Parallelrechner erfordert eine Rechenzeit von etwa einer Woche. Sie ermöglicht ungeahnte Einblicke in die Natur turbulenter Strömungen und lässt schon heute ahnen, was in Zukunft möglich sein wird. Zunächst wollen die Forscher die Erkenntnisse für neue Turbulenzmodelle nutzen, mit denen sich Strömungen realistischer abbilden lassen.

MaschinenbauRUBIN: weitere Themen

Energietechnik: Ganzheitliche Energiebilanzen von Windkraftanlagen, Aeorodynamische Stabilität in Windkraftverdichtern; Automatisierungstechnik: Neue Testmethode für elektronische Steuereinheiten, Mikrooptische Frequenzselektive Schalter, Dienstleistungsgesellschaft von morgen, Konstruktionstechnik: Unterirdisches Transportsystem auf dem Modellprüfstand, E-Services als Wettbewerbsvorteil, Oxidkeramische Brennstoffzelle neu konstruiert, Großgetriebeprüfstand im Einsatz für die Schadensprognose; Thermo- und Fluiddynamik: Erdgaszustandsgleichung als internationaler Standard, Automobile umweltgerecht klimatisiert, Werkstoffe: „Metal Matrix Composites“ widerstehen dem Verschleiß, Moderne Konzepte für den Korrosionsschutz.
MaschinenbauRUBIN ist in der Fakultät für Maschinenbau der Ruhr-Universität (Tel. 0234/32-26190) zum Preis von 6 Euro erhältlich und steht im Internet unter: http://www.ruhr-uni-bochum.de/rubin/maschinenbau/

Weitere Informationen

Prof. Dr.-Ing. Viktor Scherer, Lehrstuhl für Energieanlagen und Energieprozesstechnik (LEAT), Institut für Energietechnik, Fakultät für Maschinenbau der Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, Tel.: 0234/32-26328, E-Mail: scherer@leat.ruhr-uni-bochum.de