Die Arbeitsgruppe "CFD/Numerische Strömungssimulation" des SIVUS-Instituts befasst sich mit der Entwicklung moderner numerischer Methoden zur Strömungsberechnung und Simulation und deren Anwendung auf Problemstellungen aus Industrie, Wissenschaft und Umwelt. Das Anwendungsgebiet reicht von Aufgaben zur Auslegung und Optimierung von Anlagen der Verfahrenstechnik bis hin zu industrienahen Anwendungen bei der Berechnung des Transports von Schüttgütern, der Abgasreinigung und Partikelabscheidung aus Gasen und Flüssigkeiten in Wäschern und Zyklonen.

Verwendet werden hierzu leistungsfähige kommerzielle Software-Werkzeuge, wie z. B. sogenannte Gittergeneratoren, die die Erzeugung numerischer Gitternetze unter Verwendung von CAD-Daten in kurzer Bearbeitungszeit selbst für sehr komplexe Strömungsgeometrien gestatten, CFD-MeshBuild. Auch für die Strömungsberechnung sowie die Visualisierung  der Auswertung der 3D-Strömungsdaten kommen mit CFD, Tecplot und Ensight leistungsfähige Softwarelösungen zum Einsatz.

Für Aufgabenstellungen, die von den heute am Markt verfügbaren CFD-Lösungen nicht zufriedenstellend abgedeckt werden, wurde darüber hinaus von der Arbeitsgruppe Mehrphasenströmungen und dem DFG-Sonderforschungsbereich 393 "Massiv Paralleles Rechnen" an der TU Chemnitz das auf der Methode der finiten Volumen basierende, leistungsfähige Berechnungsverfahren MISTRAL/PartFlow-3D zur Berechnung von Gas/Fluidströmungen und von Gemischen von Fluiden mit Feststoffpartikeln oder Tropfen entwickelt.

Eine mögliche Anwendung dieser Berechnungsverfahren besteht in der computergestützten Untersuchung der Partikelabscheidung aus Gasen in Zyklonen und anderen Abscheideapparaten. Die Vorhersage des Abscheidegrades erlaubt die Optimierung des Einsatzes konventioneller Zyklone und die Entwicklung völlig neuartiger Hochleistungszyklone mit neuen Einsatzbereichen. Hierdurch können in vielen Fällen im Betrieb teure Filteranlagen, Nasswäscher und Elektrofilter ersetzt oder zumindest kostenreduzierend ergänzt werden.

Numerische Berechnung der Partikelabscheidung eines fünf Mikrometer großen Quarzpartikels

Geschwindigkeitsverteilung im Staubabscheider

Des weiteren berechnen wir in einem gemeinsam mit dem größten britischen Steinkohle-Großkraftwerksbetreiber Powergen Plc. in Nottingham/Ratcliffe-on-Soar, UK bearbeiteten EU-Forschungsvorhaben die Zuführung gemahlener Steinkohle zu 40 Brennern eines Großkraftwerks-Kessels. Ziel dieser Untersuchungen ist eine gleichmäßigere Verbrennung der Steinkohle mit höherem Wirkungsgrad bei geringerem Schadstoffausstoß an Schwefel- und Stickoxiden. Da die Bauteile der Zuleitungen zum Kesselbrennraum von der Geometrie her sehr komplex sind, ist der Berechnungsaufwand für diese Aufgabe extrem hoch.

Auf einer einzelnen Workstation wäre eine derartige Simulation nicht ausführbar, sowohl durch die notwendigen Speicherkapazitäten als auch von der benötigten Rechenzeit her.  Aus diesem Grund wurde für die Strömungsberechnung ein parallelisiertes Berechnungsverfahren entwickelt, das die Rechenleistung massiv-paralleler Workstation-Cluster, wie z. B. des 12-Prozessor-Clusters der Arbeitsgruppe oder des Chemnitzer Linux-Clusters (CLIC) der TU Chemnitz effektiv nutzen kann und somit die erforderlichen Berechnungszeiten von mehreren Tagen auf einige wenige Stunden reduziert.

Konnten in der Vergangenheit derartig hohe Rechenleistungen und Speicherkapazitäten nur von spezialisierten und sehr teuren Supercomputern bereit gestellt werden, so ist es mit dieser Technologie möglich, diese enormen Rechenkapazitäten mit handelsüblichen Rechnerkomponenten preiswert und direkt am Arbeitsplatz des Ingenieurs bereitzustellen. Damit eröffnen sich für den Ingenieur völlig neue Möglichkeiten bei der Verfahrensentwicklung und -optimierung.

Kontakt: Dr.-Ing. habil. Klaus Wozniak