Mit
Hilfe der numerischen Strömungssimulation (CFD = Computational Fluid
Dynamics) kann an virtuellen mehrdimensionalen Modellen das
Strömungsverhalten von Fluiden unter realen Bedingungen untersucht werden.
Dabei wird nicht nur die "reine Strömung" berechnet, sondern auch
alle an Strömungen gekoppelten Folgeprozesse wie:
Die
Palette der Möglichkeiten ist nahezu unbegrenzt.
Man erhält mit den Simulationsergebnissen "gläserne" Strömungen und
kann Apparate und Anlagenteile ganz gezielt auf ein Optimum hin entwickeln.
Eine typische Strömungssimulation besteht aus den drei Einzelschritten:
und
ist insgesamt ein rechentechnisches Hightech. Die Modellerstellung und -lösung
erfordert dabei erhebliche Erfahrungen, die man am besten durch die
Methode "learning by doing" erhält:
Am Institut für Prozess- und Strömungssimulation der Fakultät Verfahrens- und
Chemietechnik können Studenten der Fakultäten V und M (und anderer Fakultäten
der HS) den Umgang mit dem CFD-Programmpaket FLUENT erlernen. Dazu bietet das
Institut für Prozess- und Strömungssimulation das Wahlpflichtfach
"Strömungssimulation mit FLUENT (FLU)" für die Fakultäten V und M und
(bei Antrag) auch für andere Studenten der Hochschule Mannheim an (4-stündiges
Wahlpflichtfach).
Man kann diese Vorlesung "einfach so besuchen", um die CFD
kennen zu lernen. Will man allerdings am Institut weitergehende Arbeiten zur
Strömungssimulation durchführen (Studien-, Projekt-, Diplom- oder
Masterarbeiten), so muss diese Vorlesung als Erstes besucht
werden, ehe die Studenten mit der Arbeit beginnen können. Die Teilnehmer der
Vorlesung können den Institutsleiter Prof. Dr. Michel außerdem als FLUENT-Hotline
für alle programmtechnischen Fragen nutzen.
Der Umfang der Vorlesung reicht nicht aus, um die Strömungssimulation so
richtig "kennen zu lernen". Ziel ist vielmehr,
den Gittergenerator GAMBIT und den Solver FLUENT so verstehen, dass
Studenten anschließend zumindest einfache Strömungssimulationen
selbsttätig durchführen können. Eine Projektarbeit am Ende des Semesters (eine
Strömungssimulation) dient auch als Prüfungsleistung für dieses Fach.
Die Vorlesung besteht aus einem theoretischen und aus einem praktischen
Teil. Im theoretischen Teil werden die Besonderheiten der
Gittergenerierung und Gleichungslösung besprochen und im praktischen Teil dann
die einzelnen Schritte der Strömungssimulation am Rechner erprobt. Die
Vorlesung läuft über insgesamt 3 Doppelstunden pro Woche (6 SWS) im FLUENT-Pool
des Instituts. Sie wird jedes Semester gelesen.
Die Plätze im FLUENT-Pool sind auf 16 Studenten begrenzt. Um hier eine Auswahl
zu ermöglichen, müssen sich interessierte Studenten in eine Liste
einschreiben. Diese wird an der Tür zum FLUENT-Pool ab dem Ende eines Semesters
ausgehängt für den Kurs zum folgenden Semester.
Die Vorlesung richtet sich an Studenten aus mehreren Semestern und Fakultäten.
Deshalb ist es schwierig, vorab gemeinsame Termine zu finden. Die endgültigen
Vorlesungstermine werden erst in der ersten Vorlesungsstunde (gemäß
Vorlesungsplan) unter der Randbedingung festgelegt, dass die Termine möglichst
gut zu den übrigen Vorlesungsterminen der anwesenden Studenten passen.
Interessierende Studenten müssen deshalb in dieser ersten Stunde unbedingt
anwesend sein.
Moderne numerische fluiddynamische Programme (CFD-Programme)
wie FLUENT ermöglichen es, Energie- und Stofftransport sowie die Stoffwandlung
in strömenden Systemen direkt aus den Erhaltungs- und Reaktionsgleichungen zu
bestimmen.
Kennt man aus solchen Berechnungen die lokalen Strömungs-, Temperatur- und
Stofffelder, dann können Apparate der Verfahrenstechnik so konstruiert werden,
dass sie bei minimalem Energie- und Stoffeinsatz ein Maximum an Ausbeute bei
ebenfalls maximaler Betriebssicherheit haben.
Da mittlerweile moderne Hochleistungs-PC's sehr leistungsfähig geworden sind
und CFD-Programme wie FLUENT parallel gleichzeitig auf mehreren Prozessoren und
Rechnern arbeiten können, ist es heute möglich, mit relativ preiswerter
PC-Technik diese Berechnungen auch für komplexe Strömungen durchzuführen. Man
benötigt dazu nicht mehr die teuren Höchstleistungsrechner.
Deshalb werden in der Industrie immer mehr CFD-Programme eingesetzt. Durch den
steigenden CFD-Einsatz erhalten die Programm-Hersteller entsprechend mehr
Mittel und können auch entsprechend mehr Arbeit in eine weitere
Verbesserung dieser Programme stecken. Dies wiederum macht es für den Anwender
immer einfacher, solche Programme für einen weiten Bereich der
Verfahrenstechnik einzusetzen. Es ist deshalb abzusehen, dass die Nutzung
von CFD-Programmen in der Verfahrenstechnik ein ähnlich hohes Potential an
Energie- und Rohstoffschonung bewirkten wird, wie dies z.B. in der
Automobiltechnik verwirklicht wurde.
Wegen dieser großen Bedeutung der CFD-Technik für die Verfahrenstechnik hat das
Institut PS (früher WT) in 1999 an der Fakultät Verfahrenstechnik (V) der
HS Mannheim einen 'FLUENT-Pool' aufzubauen. Hierzu wurden seit 1999 diverse
FLUENT-Lizenzen und FLUENT-fähige-Doppelprozessor-PC's beschafft, die im
FLUENT-Pool der Fakultät V aufgebaut wurden und hier von Studenten der HS
Mannheim (früher FHT Mannheim) für numerische Strömungssimulationen genutzt
werden können.
Zurzeit besteht der FLUENT-Pool aus 9 Rechnern mit jeweils 2 Prozessoren. Die
Rechner haben zwischen 4 und 8 Gigabyte Hauptspeicher. Am Institut sind 9
FLUENT-Lizenzen vorhanden und 9 FLUENT-Parallellizenzen. Die Lizenzen sind
damit ausreichend, um alle 9 Rechner gleichzeitig mit jeweils 2 Prozessen
laufen zu lassen. Das Betriebsystem der Rechner ist das 64 bit Suse-Linux.
Die Rechner können einzeln betrieben werden oder im Rechnerverbund, wobei
(grundsätzlich) alle 18 Prozessoren zusammengeschaltet werden können. Praktische
Berechnungen laufen meistens auf einem Doppelprozessor-PC ab. Damit können
Modelle bis 4 Mio. Zellen berechnet werden. Bei größeren Modellen werden dann
mehrere Rechner zusammengeschaltet.
Mit der Vorlesung Strömungssimulation mit FLUENT (FLU) bietet das Institut für
Prozess- und Strömungssimulation eine Einführungsvorlesung in die numerische
Strömungssimulation an. Diese Vorlesung wird als 4-stündiges Wahlpflichtfach
für die Fakultäten V und M anerkannt (und bei Antrag auch für andere
Fakultäten). Absolventen dieser Vorlesung können den FLUENT-Pool für eigene
Rechnerarbeiten nutzen, sind 'Hotline-berechtigt' für Probleme bei der
Strömungssimulation und können am Institut PS Projekt- und Abschlussarbeiten
auf dem Gebiet der numerischen Strömungstechnik durchführen.
Das Institut für Prozess- und Strömungssimulation bietet F&E-Arbeiten mit
FLUENT im Rahmen von Projekt- und Abschlussarbeiten und auch im Rahmen direkter
Institutsarbeiten an. Hierzu sucht das Institut kooperierende Firmen.