Gas- und Wärme-Institut in Essen

Numerische Simulation von Industrieprozessen

Stromlinien

Kaum eine Technologie hat sich in den letzten Jahrzehnten so dramatisch weiterentwickelt wie die Computertechnik. Die Auswirkungen sind überall zu spüren, sowohl im Alltag als auch in der Industrie. Numerische Simulationen werden heute völlig selbstverständlich nicht nur im Bereich der Forschung, sondern auch bei der Analyse, der Auslegung und der Optimierung verfahrenstechnischer Anlagen und Prozesse eingesetzt. Sie erlauben Einblicke, die mit Mitteln der Messtechnik kaum oder nur unter großem Aufwand möglich sind. Das GWI nutzt die Möglichkeiten moderner Simulationsverfahren seit Jahren, sowohl im Rahmen von öffentlichen Forschungsprojekten als auch in Industriekooperationen. Durch die Kombination messtechnischer Untersuchungen und numerischer Simulationen können Prozesse und Anlagen ganzheitlich analysiert und optimiert werden.

CFD: Von der Realität zum Modell - und wieder zurück

Grundlage der numerischen Modellierung turbulenter reaktiver Strömungen (engl. Computational Fluid Dynamics bzw. CFD) ist die mathematische Beschreibung physikalischer Vorgänge, wie sie sich z. B. in einem Industrieofen abspielen. Die Gesetzmäßigkeiten, die diesen Prozessen zu Grunde liegen, können mit Hilfe von Gleichungen beschrieben werden. Diese Gleichungen und die Wechselwirkungen der einzelnen Prozesse (Strömung, Verbrennung, Strahlung etc.) sind jedoch derart komplex, dass sie nicht analytisch gelöst werden können. Hier setzt die numerische Simulation an: mittels leistungsfähiger Lösungsalgorithmen und vereinfachender Modellannahmen ist es möglich, Näherungslösungen zu berechnen, die – so zeigt der Vergleich mit Messungen – die Realität gut wiedergeben. Mit einem numerischen Modell einer Anlage sind dann Parameterstudien und Geometrievariationen am Rechner durchführbar, bevor sie in die Praxis umgesetzt werden. Auf diese Weise können Optimierungs- und Retrofitting-Strategien analysiert und getestet werden, ohne dass es zu Anlagenstillständen und somit zu Produktionsausfällen kommt. Auch bei der Neuauslegung von Maschinen und Anlagen aller Art ist die numerische Simulation mittlerweile Stand der Technik und vermeidet zeit- und kostenintensive messtechnische Untersuchungen

Messung
Simulation

Schritt 1: Der Ist-Zustand

Halle

Eine CFD-Simulation basiert immer auf einer Geometrie und den Prozessparametern des zu untersuchenden Systems. Beide werden in Zusammenarbeit mit dem Kunden ermittelt und sind wesentliche Voraussetzungen für die Belastbarkeit der Simulationsergebnisse.

Schritt 2: Das numerische Modell

Modell

Anhand der Informationen über Geometrie und Prozessparameter wird ein numerisches Modell erstellt. Dieses besteht aus einem Gitter der Geometrie, den Randbedingungen für die Simulation und der Wahl geeigneter mathematischer Modelle für z. B. Turbulenz, chemische Reaktion und Wärmetransport, etwa durch Strahlung. Dabei muss ein Kompromiss zwischen dem Detailgrad der Simulation und der benötigten Rechenzeit gefunden werden. Hier fließt die Erfahrung des Anwenders ein. Anschließend wird die eigentliche Simulation durchgeführt.

Schritt 3: Auswertung und Analyse

Auswertung

Nach Abschluss der Simulationsrechnung werden die Ergebnisse visualisiert und analysiert. Ein wesentlicher Vorteil von CFD-Simulationen ist, dass sie, anders als experimentelle Untersuchungen, nicht durch messtechnische oder konstruktive Gegebenheiten eingeschränkt sind. Grundsätzlich kann jeder Punkt im Rechengebiet detailliert betrachtet werden, unabhängig von der Lage. Dies ist am realen System so nicht möglich. Die Erkenntnisse, die anhand dieser Analyse gewonnen werden, können dann in einen Optimierungsprozess einfließen, etwa als geänderte Geometrie oder Parameter.