... mit dem Institutsleiter des IPP Prof. Dr. Klaus Kimmerle zum Thema CFD-Simulation

 

Herr Kimmerle, was verbirgt sich hinter der Abkürzung CFD?

Bestellen Sie 20 Personen zum Gruppenfoto in ein Studio, so werden diese zuallererst den Raum betreten. Daraufhin verteilen sie sich irgendwie relativ zufällig im Raum. Um das Gruppenfoto zu realisieren, müssen Sie Arbeit aufwenden. Sie bitten diese Personen sich zusammenzustellen, sodass sie auf das Foto passen. Hierbei handelt es sich zuerst um einen freiwilligen Transportprozess, rein in das Zimmer, und dann um einen erzwungenen Transportprozess, zusammenstellen. Beide Prozesse sind für den Betrachter sichtbar. In unserer belebten und unbelebten Welt gibt es aber auch unsichtbare Transportprozesse, z.B. Übertragung von Schall, Energie und Stoff. Wie breitet sich der Schall der neu geplanten B423 in Homburg aus? Wie schnell wird eine Bramme in der Völklinger Hütte kalt oder warm? Wie lange dauert es, bis der Zucker in einer Kaffeetasse aufgelöst ist oder der Alkohol bei der Glühweinherstellung verdampft ist? Diese Transportvorgänge mit Schall, Energie und Stoff kann man oft nicht sehen, aber manchmal hören, schmecken oder erfühlen, d.h. irgendwie messen, manchmal aber auch nicht. Was fast immer geht: Wir können rechnen! Und genau dazu braucht man CFD, d.h. Computational Fluid Dynamics. Meine Übersetzung dazu ist: Abbildung dreidimensionaler Transportvorgänge durch Berechnen mit dem Computer! Allerdings sind diese Berechnungen sehr rechenaufwendig. Da Computer aber immer schneller und billiger werden, nimmt logischerweise die Bedeutung von CFD zu.

Das Institut für Physikalische Prozesstechnik (ipp-htw saar) verfügt bei der Anwendung von CFD-Simulationen über viel Erfahrung. Welche Forschungsarbeiten, Projekte oder Austauschprozesse mit der Wirtschaft hat es in dem Bereich schon gegeben?

Lassen Sie mich damit beginnen zu erklären, was das ipp-htw saar darstellt. Wir verstehen uns als Ansprechpartner für wissenschaftliche Fragestellungen der Prozesstechnik. Wir bieten unsere Dienste an bei der Definition und Begleitung von F&E-Projekten, Experimenten im Labor, Technikum und vor Ort, kontinuierliche Analytik, Erstellung von Stoff- und Energiebilanzen, Modellbildung und last not least bei der Verbesserung der Ausbildung und Lehre. Mit folgenden Kompetenzfeldern, die von Kollegen professionell vertreten werden: Physikalische Chemie: Frau Prof. Simone Pokrant, Automatisierung: Prof. Benedikt Faupel, Fluid Energie Maschinen: Prof. Frank Rückert, Kreislauftechnik und Aquakultur: Prof. Uwe Waller sowie Physikalische Prozesstechnik: Prof. Klaus Kimmerle. Bisher haben wir mit CFD bearbeitet u.a. Hydrozyklone, Apparate zur Trennung von festen Stoffen aus Suspensionen, Venturi-Düsen zur Erzeugung kleinster Gasblasen im Wasserstrom, Strömungen im Stoff- und Wärmeaustauscher, Wasserströmungen durch Rechen, über Wehre und durch Schütze sowie Strömungen durch poröse Medien.

Was ist das Besondere bei CFD-Simulationen des ipp-htw saar?

Für die CFD-Simulationen nutzt das ipp-htw saar ausschließlich frei zugängliche Software aus dem Netz, als da sind OpenFOAM®, Salome, ParaView und andere. Diese Software wird von einer Gemeinschaft von Spezialisten, z.B. auch unser Herr Weißkircher, auf freiwilliger Basis immer mehr verfeinert und weiterentwickelt. Diese Spezialisten legen aber keinen Wert auf Komfort und leichte Bedienbarkeit, da sie ja bestens eingearbeitet sind. Dafür fallen aber bei dieser sogenannten Open-Source-Software auch keine Lizenzgebühren an. Als Nutzer hat man deshalb zwei Möglichkeiten, entweder man investiert in Lizenzgebühren für kommerzielle Software-Produkte oder man bezahlt Mitarbeiter, die sich weiterbilden und sich in Open-Source-Software einarbeiten. Im Fall von CFD mit Open-Source-Software dauert das aber Monate und Jahre.

Für welche Institutionen und Branchen in der Großregion sind CFD-Simulationen von Interesse?

Wir arbeiten ja innerhalb der Hochschule fakultätsübergreifend auf dem CFD-Gebiet zusammen z.B. mit den Wasserbauern, den Architekten und den Fachleuten für Strömungsmaschinen. So ist es uns möglich, einen ganzen Strauß von Lösungsmöglichkeiten für potentielle Interessenten zu binden. CFD ist bei sehr unterschiedlichen Problemen einsetzbar. Immer dort, wo ein Gas oder eine Flüssigkeit mit einer Grenzfläche zusammentrifft, also z.B. bei Ventilen, in Behältern, in Kanälen, in Trenn- und Misch-Apparaten, bei Windrädern oder im Windkanal, kann CFD eingesetzt werden. Aber auch bei Verbrennungsvorgängen, bei Wärmetransport, bei mechanischen Spannungsanalysen bis hin zu elektromechanischen Problemen. In der Produktentwicklung können z.B. die Prototypen nachgerechnet werden. Dann verändert man deren Geometrie und rechnet die Auswirkungen dieser Änderungen nach. So kann man viele Änderungen ausprobieren, ohne Geld für Material und Arbeitszeit in der Fertigung ausgegeben zu haben. Den x-ten theoretischen Entwicklungsschritt kann man dann zur Überprüfung ja mal bauen. Das nennt man dann die Evaluation der Simulationsergebnisse.

Für welche Zwecke wird das computergestützte Engineering im Unternehmen und bei Institutionen eingesetzt?

Gang und gäbe ist die CFD-Nutzung bei der Optimierung von Produkten durch z.B. Parameterstudien. Dazu kann der Anwender die wesentlichen zu untersuchenden Parameter und deren Bereiche, d.h. den kleinsten und größten Wert, angeben. Dann erstellen wir, federführend durch Herrn Busch, eine zur Aufgabenstellung passende graphische Benutzeroberfläche und es kann losgehen. Am Beispiel eines Öl-Filters sei dies erklärt. Ein Nutzer will den Filter durch Variation des Durchmessers, der Filterdicke, der Porengröße optimieren. Die Zähigkeit der zu filtrierenden Flüssigkeit soll sich auch ändern können. Nehmen wir nur mal an, dass jeder der vier Parameter nur drei Einstellmöglichkeiten hat, dann sind das schon 81 Möglichkeiten. Da ist rechnen deutlich billiger als herstellen und messen. Am Beispiel eines Rechens im Kanal einer Kläranlage sei dies nochmals erklärt. Ein Nutzer will die Funktion des Rechens durch Variation des Rechentyps, des Stababstands, der Stabdicke und der Kanalbreite optimieren. Der Volumenstrom soll mitberücksichtigt werden. Auch hier nehmen wir nur mal an, dass jeder der fünf Parameter nur drei Einstellmöglichkeiten hat, dann sind das in diesem Fall schon 243 Möglichkeiten. Ein anderes Beispiel: Würde man das Geländeprofil eines hochwasserbedrohten Landschaftsteilgebietes im dreidimensionalen virtuellen Raum abbilden, dann könnte die beteiligte Erdoberfläche mit einem Regenereignis beaufschlagt werden. Man sähe den Verlauf der Wasserströme und man könnte Gefahrenorte entdecken. Auch Schutzmaßnahmen könnten im virtuellen Raum vor ihrer Realisierung ausgetestet werden.

Sie sprechen wiederholt vom Mittelstand, der den größtmöglichen Nutzen aus der Zusammenarbeit mit dem ipp-htw saar in Sachen CFD ziehen könnte. Können Sie uns das näher erläutern?

Um CFD im Mittelstand anzuwenden, müssen die Firmen entweder hohe Lizenzgebühren für kommerzielle Produkte bezahlen oder Mitarbeiter zur Open-Source-Software ausbilden oder einstellen. Für große Betriebe wie VW, BASF oder Siemens ist das kein Problem, für einen Mittelständler schon. Wir am ipp-htw saar nutzen die Open-Source-Software und schulen Studierende damit. Sie wenden CFD in ihren studentischen Arbeiten wie Projekt-, Bachelor- oder Masterarbeit an. Wendet sich ein Anwender an uns, kann der wissenschaftliche Aspekt der Aufgabenstellung bei uns, mit Studierenden auf der Open-Source-Software bearbeitet werden. Beendet ein Studierender sein Studium, kann er die auf seinem Rechner installierte Open-Source-Software mitnehmen. Der Aufgabensteller, möglicherweise sein neuer Arbeitgeber, wird sich freuen. Er erhält kostenlose Software und deren eingearbeiteten Spezialisten. Der selbstständige, nicht betreute Einstieg in dieses komplexe CFD-Thema stellt für den Mittelstand eine nur schwer überwindbare und sehr zeitraubende Hürde dar. Wir helfen, diese zu nehmen.


„Der selbstständige, nicht betreute Einstieg in dieses komplexe CFD-Thema stellt für den Mittelstand eine nur schwer überwindbare und sehr zeitraubende Hürde dar. Wir helfen, diese zu nehmen.“


Welche Vorteile sind das konkret?

Grundsätzlich kann das ipp-htw saar als „verlängerte Werkbank“ dienen. Fehlende Manpower kann bereitgestellt werden. Unsere aufgabenbezogenen graphischen Benutzeroberflächen werden auf den konkreten Bedarf angepasst und machen Open-FOAM® bedienbar. Die hohen Lizenzkosten entfallen. Da wir versuchen, stets auf dem neusten Stand zu bleiben, sind wir auch in der Lage, die Schulung und Weiterbildung der Mitarbeiter von Unternehmen anzubieten.

Die numerische Strömungssimulation wird in Ihrem Institut nicht nur in der Forschung und in konkreten Projekten eingesetzt. Auch die Studierenden profitieren davon. Wie?

Unsere aufgabenbezogenen graphischen Benutzeroberflächen werden auch für Studierende und Dozenten angepasst. Beim Studierenden sind die zu bedienenden Parameter meist auf die eigentliche physikalische Aufgabe beschränkt. Der Dozent kann auch in den Simulationsablauf, z.B. in die Rechengenauigkeit und Abbildungsfeinheit, eingreifen. Der Studierende lernt zuerst in einer Vorlesung die Grundlagen der CFD-Simulation und die physikalischen Grundlagen der Aufgabenstellung, z.B. die Überströmung eines Wehres. Dann darf er Hand anlegen und ein reales Experiment mittels unseres Strömungskanals bei den Wasserbauingenieuren unter Leitung von Prof. Alpaslan Yörük ausführen. Nach erlernter Bedienung der aufgabenbezogenen graphischen Benutzeroberflächen startet er die Simulation und rechnet seinen Anwendungsfall nach. Das Ausbildungsziel ist die erfolgreiche Evaluation der Rechenergebnisse mittels Experiment, siehe dazu der Artikel von Marco Tassone, M.Eng.

Sie erbringen Ihre Dienstleistung als Mitglied des Zentrums Mittelstand Saar. An wen können sich Interessierte wenden?

Interessierte wenden sich an Frau Rita Richter, , die Laborleitung Herrn Gerhard Braun, , oder Herrn Klaus Kimmerle, .