Ihr professioneller Dienstleister für  Strömungssimulationen In fast allen luft- und kältetechnischen Anlagen spielen Fluidströmungen (Gase und Flüssigkeiten) eine entscheidende  Rolle. Auf Grund der Komplexität der Strömungsphänomene in diesen Anlagen stehen nicht immer in ausreichendem  Maße analytische und experimentelle Methoden zur Verfügung, um die der Planungs-, Entwicklungs-,  Optimierungsphase zu unterstützen. Strömungs-Simulationen (Computational Fluid Dynamics CFD) können daher einen  entscheidenden Beitrag in der Luft- und Kältetechnik leisten. Die Einsatzmöglichkeiten von CFD soll an Hand einiger  Beispiele verdeutlicht werden.  Einleitung  Wenn man sich mit technisch, wissenschaftlichen Phänomenen auseinandersetzt ist eine fundierte Kenntnis über  theoretische Zusammenhänge unerlässlich. Wie die meisten naturwissenschaftlichen Phänomene, können auch  Fluidströmungen durch mathematische Gleichungen beschrieben werden. Im Falle von Fluidströmungen sind das die  sogenannten "Navier-Stokes-Gleichungen". Auf Grund der Komplexität dieses Gleichungssystems können nur für sehr  einfache Strömungen, wie sie in der Luft und Kältetechnik nur selten vorkommen, Formeln analytisch entwickelt  werden, um die relevanten Größen, wie Geschwindigkeit, Druck, Dichte, Temperatur etc. zu berechnen. Komplexere  Strömungen können nur mit mehr oder weniger genauen empirischen Gleichungen beschrieben werden. Häufig stehen  überhaupt keine mathematischen Formulierungen zur Verfügung. In diesen Fällen kann mit Hilfe von Computer-  Simulationen versucht werden, das benötigte Wissen über die relevanten Vorgänge zu gewinnen. Dieses "numerische  Werkzeug" wird als "Computational Fluid Dynamics (CFD)" bezeichnet. Bei CFD  versucht der Computer an sehr vielen diskreten Punkten, dem sogenannten  Rechengitter (Abb. 1), mit Hilfe von numerischen Rechenalgorithmen die Navier-  Stokes-Gleichungen zu lösen. Bei einer komplexen 3D-Geometrie sind häufig  mehrere Millionen Gitterpunkte nötig. Die berechneten Strömungsgrößen an  jedem der Gitterpunkte stellen die Basis für die weiteren Analysen dar. Auf Grund  der vielen Gitterpunkte und der zeitaufwendigen numerischen Algorithmen war  CFD früher nur auf Großrechnern möglich. Durch die enorm steigende Leistung  von Personal Computern (PC) sind jedoch seit einigen Jahren  Strömungssimulationen auch auf PCs mit einer Prozessortaktfrequenz von 1 GHz  und einem Arbeitsspeicher von 2 Giga-Byte mit akzeptablem Zeitaufwand  durchführbar. Neben der Computerleistung sind ebenfalls hohe Anforderungen an den Benutzer von CFD Programmen  gestellt. Da aus strömungsmechanischer Sicht kein großer Unterschied zwischen einer Rohrströmung, der Strömung  um ein Ventilatorblatt oder um ein Luftschiff besteht, sind die meisten CFD Programme für unterschiedlichste  technische Prozesse einsetzbar. Das bedeutet, dass der Computer mit eine Reihe von Randbedingungen und  Parametern gefüttert werden muss, um aussagekräftige Resultate zu erzielen. Diese Eingaben erfordert Erfahrung auf  mathematischem, strömungsmechanischem und konstruktionszeichnerischem Gebiet.  Der wissenschaftliche  Hintergrund und die Anwendung von CFD ist mit den kommerziellen FEM (engl.: Finite Elements Methods) Programmen  aus dem Bereich der Mechanik vergleichbar. Auch CFD ist in den unterschiedlichsten Stadien einer Produkt- oder  Prozessentwicklung einsetzbar. Sie reichen von Grundlagenforschung bis zu Gesamtanalysen, von Parameterstudien bis  hin zu Fehlerdiagnosen. Die Einsatzmöglichkeiten von CFD in der Luft und Kältetechnik soll an Hand einiger Beispiele  verdeutlicht werden. Alle hier dargestellten Fallbeispiele sind stark vereinfacht und sollen nur der Demonstration  dienen. Wärmetauscher-Platten In vielen kältetechnischen Apparaten befinden sich Wärmetauscher, die dazu dienen thermische Energie von einem  Medium an ein anderes zu übertragen. Designziel ist es diesen Energietransfer so effizient wie möglich zu gestalten.  Das bedeutet, dass pro Flächeneinheit die übertragenen Wärmemenge maximiert und die benötigte Energie, um die  Medien durch den Wärmetauscher zu transportieren, minimiert wird. Diese Tranportenergie hängt vom  Strömungswiderstand ab und wird häufig in der Form eines Druckverlustes ausgedrückt. Diese beiden Designziele  werden hauptsächlich durch die strömungsmechanischen Zustände in der Geschwindigkeits- und thermischen  Grenzschicht (Abb. 2) an den beiden Oberflächen der Wärmetauscherplatten bestimmt. Charakteristische  strömungsmechanische Parameter der Grenzschichten sind der Geschwindigkeits-  beziehungsweise der Temperaturgradient senkrecht zur Oberfläche. Diese  beiden Parameter an jeder Position im Inneren eines Wärmetauschers  experimentell zu bestimmen ist nur mit einem hohen Aufwand zu  bewerkstelligen. Dieser Aufwand wird vor allem durch die eingeschränkten  Zugänglichkeit verursacht. Aus diesem Grund gibt es nur wenige praktikable  experimentelle Methoden in der Entwicklung und Optimierung von  Wärmetauschern. Auf zwei dieser Vorgehensweisen soll hier kurz eingegangen  werden. In der ersten Vorgehensweise werden kleine Segmente von  Wärmetauscherplatten in einem Meßstand, in dem die Zugänglichkeit für  experimentelle Methoden gewährleistet ist, untersucht. Hierbei können "lokale Strömungsgrößen" wie Geschwindigkeit,  Druck und Temperatur und ihre Beziehung zu der Plattengeometrie bestimmt werden. Allerdings bleiben die  Strömungseffekte, die im fertigen Wärmetauscher auftreten (z.B. im Bereich der Ein- und Auslässe), unberücksichtigt,  obwohl diese erheblich von dem Strömungszustand im Meßstand abweichen können. Auf der anderen Seite werden bei  der Vermessung des fertigen Wärmetauschers nur die oben genannten integralen "Makro-Parameter", übertragene  Wärmemenge und Druckverlust bestimmt und die lokalen Strömungseffekte  bleiben unbekannt. Dadurch können versteckte Optimierungspotentiale nicht  aufgedeckt werden. Mit Hilfe von Strömungs-Simulationen kann versucht werden  die Lücke zwischen Mikro- und Makroparameter zu schließen und die Vorteile  beider experimenteller Methoden zu vereinen und ausreichende Informationen  aus dem Inneren des Wärmetauschers zu erhalten. Zwei Beispiele werden in Abb.  3 und 4 gezeigt. In allen folgenden Abbildungen sind die Werte der präsentierten  Strömungsgrößen durch verschiedene Farben dargestellt. Rot stellt hohe Werte  und Blau niedrige Werte dar. Abb. 3 zeigt die Temperaturverteilung einer  vereinfachten zwei-dimensionalen Simulation der Strömung entlang einer  Wärmetauscherplatte. In dieser Simulation strömt ein warmes Medium durch den  oberen Kanal von links nach rechts und ein kaltes Medium durch den unteren  Kanal von rechts nach links. Durch den Temperaturgradient  an der Trennwand  zwischen den beiden Kanälen lassen sich Rückschlüsse ziehen an welchen  Positionen die Wärmeübertragung hoch ist und welchen Stellen nicht. Abb. 4 zeigt  Geschwindigkeitsvektoren in einem Bündelwärmetauscher. Es sind deutlich  Regionen mit niedrigen Geschwindigkeiten und Wirbelgebiete erkennbar, die sich  nachteilig auf die übertragene Wärmemenge auswirken.  Ventilatoren  Will man die Arbeitsweise eines Ventilators auf einfache Weise umschreiben, so könnte man sagen ein Ventilator ist ein  Apparat um ein Fluid in Bewegung zu bringen und dabei einen gewissen Widerstand zu überwinden. Dieser Widerstand  drückt sich in einem Druckunterschied zwischen Strömungsein- und auslass aus. Dies geschieht mit Hilfe von  Flügelblättern die sich in einem Gehäuse um eine Achse bewegen. Durch die Rotation bildet sich um die Blätter eine  Strömung aus, wodurch eine bestimmte Druckverteilung auf der Blattoberfläche  und somit Auftrieb, ähnlich eines Flugzeugflügels, generiert wird. Dieser Auftrieb  bestimmt den transportierten Volumenstrom. In Abhängigkeit von der Strömung  um das Blatt, wirkt auf diese ein gewisser Widerstand, welcher sich niederschlägt  in der für die Rotation benötigten Kraft und somit in der elektrischen  Antriebsleistung. Das bedeutet die Beziehungen zwischen transportiertem  Volumenstrom, Druckunterschied und Wirkungsgrad resultieren direkt aus dem  lokalen Strömungszustand um das Blatt. Ähnlich wie bei den  Wärmetauscherplatten sind die lokalen Strömungsgrößen wie Druckverteilung und  Strömungsfeld am Blatt und auch an der Gehäusewand nur schwer experimentell  zu ermitteln. Deshalb beruht die derzeitige Blattentwicklung zum großen Teil auf  "Trial and Error". Das bedeutet eine Blattform wird geometrisch festgelegt und die  Makro-Parameter, wie der Volumenstrom, Drucksprung und elektrische Leistung  des gesamten Ventilators werden in einem genormten Meßstand bestimmt.  Werden die gewünschten Spezifikationen nicht erreicht, wird die Geometrie  geändert und die Prozedur wiederholt sich. Für jede Geometrieänderung müssen  neue Prototypen gebaut und getestet werden. Demgegenüber bietet CFD mehrere  zusätzliche Möglichkeiten. Abb. 5 zeigt die Druckverteilung über einem Axial-  Ventilator. Abb. 6 stellt ein Beispiel für die Strömung um ein Blatt dar. Auf der  Rückseite des Blattes ist ein Wirbelgebiet zu sehen, wodurch die Strömung nach  außen in Richtung der Blattspitze gebogen wird. Dieser Strömungszustand würde  zu einem niedrigen Auftrieb und zu einem hohen Widerstand am Blatt führen,  woraus ein niedriger Volumenstrom und ein niedriger Wirkungsgrad resultiert.  Auch hier können auf der Basis der lokalen Strömungsdaten verborgene  Optimierungspotentiale von real bestehenden Ventilatoren aufgedeckt werden  oder Parameterstudien schnell und effizient durchgeführt werden. Ein Beispiel für  eine Studie könnte eine Untersuchung von verschiedenen Blattspitzen und des  Luftspalts zwischen Blattspitze und Gehäuse sein, die zum großen Teil für die  fluiddynamische Geräuschentwicklung verantwortlich sind. Neben diesen lokalen Größen kann natürlich auch die  gesamte Kennlinie eines Ventilators durch Integration der angreifenden Kräfte an den Ventilatorblättern bestimmt  werden. Durch diese numerische Bestimmung der Kennlinie kann die Anzahl der benötigten Prototypen deutlich  reduziert werden.   Klimatisierung  Neben der Entwicklung von einzelnen Komponenten wie Wärmetauscher und Ventilatoren, ist auch die effiziente  Anwendung dieser Komponenten ein wichtiges Teilgebiet der Luft und Kältetechnik, denn der beste Wärmetauscher und  Ventilator ist nur wenig hilfreich, wenn er im Raum falsch plaziert ist. Will man die Risiken von neuen innovativen  Räumen und Gebäuden minimieren und/oder die Effizienz eines Klimasystems maximieren, sind bereits in der frühen  Phase der Planung Informationen über lokale Größen wie Luftgeschwindigkeit, Temperatur, Feuchte und Ausbreitung  von Schadstoffen bei Unglücksfällen von entscheidender Bedeutung. Diese  Größen müssen für verschiedenste  Varianten der Klimatisierung in verschiedenen Umgebungsszenarien bestimmt werden. Um diese große Matrix an  benötigten Daten zu ermitteln gibt es wie in den oben beschriebenen Beispielen experimentelle und numerische  Methoden. Eine der experimentelle Methode sind Modelltests. In diesen Tests werden in verkleinerten Modellen mit  Hilfe von Rauch oder Sand das Strömungsfeld qualitativ visualisiert und die signifikanten Größen gemessen. Allerdings  sind die Ergebnisse dieser Modelluntersuchungen aus strömungsmechanischen Gründen nicht in allen Fällen direkt auf  das reale Objekt übertragbar. Neben den Modelltests kann die Bestimmung der signifikanten Größen auch mit Hilfe von  Strömungs-Simulationen durchgeführt werden. Nachdem die drei-dimensionale Geometrie des gesamten Objektes im  Computer modelliert und das Rechengitter erstellt sind, können die Kenngrößen der verschiedenen Komponenten des  Klimasystems mit Hilfe der Randbedingungen der Simulation sehr flexibel verändert und der Einfluß auf das gesamte  Klima studiert und daraufhin optimiert werden. Bei etwaigen Abweichungen des klimatechnischen Ist-Zustand im  fertiggestellten realen Objekt vom geplanten Soll-Zustand  kann CFD ebenfalls eine hilfreiche Unterstützung sein,  welches durch Experimente nur sehr schwer zu ersetzen wäre. Dies gilt vor allem für sehr große und geometrisch  komplexe Räume. Zum einen ist die minimale Anzahl an Messpunkten sehr  hoch um ausreichende Informationen über die gesamte klimatische  Situation zu erhalten und zum zweiten können die Messpunkte schwer  zugänglich sein. Messungen von Geschwindigkeiten unter 1 m/s (die in der  Klimatechnik häufig vorkommen) sind zudem schwierig, da sie sehr anfällig  gegen Störungen aus der Umgebung sind. Bei der Suche nach den  Gründen für die Abweichung vom Soll-Zustand steht die Genauigkeit von  CFD weniger im Vordergrund, als vielmehr mit Hilfe der umfassenden  Menge an Informationen eine tiefere Einsicht in das Zusammenspiel  zwischen den Kenngrößen der klimatechnischen Aggregate und dem  resultierenden Strömungszustand zu erhalten, um die notwendigen  kostspielige Anpassungsmaßnahmen zu minimieren. Vor allem die Planung  von Kühlhäuser für sensible Gütern ist klimatechnisch besonders  anspruchsvoll. Es ist entscheidend, dass jedes Produkt dieselbe  Kühlleistung erhält. Das bedeutet im Idealfall sollte die Geschwindigkeit  und die Temperatur der Luft, die die Produkte umströmt, konstant sein.   Außerdem muß diese Forderung bei einem möglichst kleinen  Ernergieverbrauch der Anlage gewährleistet werden. Abb. 7 und Abb. 8  zeigen die Geschwindigkeits- beziehungsweise die Temperaturverteilung in  einem Kühlhaus. Dieses besteht aus einer Ventilatorwand, die Luft durch  ein Kühlmodul (zwischen den blauen halbdurchsichtigen vertikalen  Wänden) fördert. Von dort gelangt die gekühlte Luft durch Regalböden, auf  denen die Produkte liegen. Danach wird die durch die Produkte erwärmte Luft von den Ventilatoren angesaugt. In  dieser vereinfachten Simulation sind weder Geschwindigkeit noch die Temperatur für jeden Regalboden konstant. Auch  zeigt die Simulation, dass die Geschwindigkeitsverteilung im Kühlmodul nicht konstant ist, welches sich nachteilig auf  den totale Luftwiderstand und die Kühlleistung auswirkt. Neben der  Geschwindigkeit und der Temperatur ist bei der Planung mancher  Gebäude auch die Verteilung von Luftfeuchtigkeit von Bedeutung.  Zum Beispielen bei Eishallen kann es bei bestimmten klimatischen  Verhältnissen zu Bildung von Nebel in der Halle kommen. Dieses  führt vor allem bei Fernsehübertragungen von Veranstaltungen in  der Halle zu erheblichen Sichtproblemen, welches zum vollständigen  Abbruch der Veranstaltung führen kann.  Abb. 9 zeigt die Verteilung  von Nebelfelder in einer Eishockey-Halle (Ansicht: schräg von Oben).   Die Farben symbolisieren die Höhe der Nebelfelder über der  Eisfläche. Durch Anpassen der Geschwindigkeit und der Richtung der  in die Halle eingeblasenen Frischluft kann das Risiko für Nebel  erheblich minimiert werden.   Kühltürme  Bei der Planung und Entwicklung von Kühltürmen gelten ähnliche Planungs- und Entwicklungsziele wie bei der  Klimatisierung von Räumen. Allerdings wird dies durch die noch stärkere Interaktion zwischen den  Strömungszuständen im Inneren des Kühlturmes und den Strömungszuständen um den Kühlturm herum erschwert.  Diese äußeren Strömungsverhältnisse werden nicht nur durch das Wetter bestimmt, sondern auch durch die lokale  Topographie und die Gebäude in der Nähe des Kühlturmes. Eines der wichtigsten strömungstechnischen Designziele  von Kühltürmen ist die Minimierung von Rezirkulationen. Hiernei wird feuchte und warme Luft zurück in sich selbst  oder in einen benachbarten Kühlturm eingesogen, welches zu einer Reduzierung der Kühlleistung führt. Wie auch bei  den anderen Anwendungsbeispielen gibt es bei der Planung von Kühltürmen das Hilfsmittel Windkanalexperimente und  Strömungssimulationen. Die Vorzüge des jeweiligen Hilfsmittels sind mit  denen der Klimatisierung vergleichbar. Als Beispiel für die  Strömungssimulation zeigt Abb. 10 Stromlinien (Weg der Luftströmung),  die die Ventilatoren von Kühlmodulen auf dem Dach einer Fabrik verlassen.  Bei der betrachteten Windrichtung kommt es durch die Anwesenheit der  Gebäude zu Rezirkulation in die linken Lufteinlässe der Kühlmodule.  Ebenso wichtig wie die Minimierung von Rezirkulation ist die Bestimmung  der Ausbreitung der Wasserdampffahne während der Planung des  Kühlturmes. Große Wasserdampffahnen beeinträchtigen auf viele Weise  die Umgebung. Zwei davon sind Schattenbildung und erhöhte  Eisbildungsgefahr. Aus diesen Gründen wird mit hohem technischen  Aufwand versucht die Ausbreitung zu reduzieren. Um die Wirksamkeit  dieser Maßnahmen für die meisten auftretenden Wetterbedingungen und  Betriebszuständen zu überprüfen, ist der Umfang einer solchen  Untersuchung in den meisten Fällen sehr groß. Abb. 11 zeigt die  Wasserdampffahne zweier in Windrichtung stehenden Kühltürme.  Auf  Grund der Interaktion der Strömungsfelder um die Kühltürme herum,  kommt es in dem zweiten Kühlturm zu Rezirkulationen. Neben der  Rezirkulationsuntersuchung kann mit Hilfe dieser Simulationen ebenfalls  die Windbelastung auf die Konstruktion des Turmes berechnet werden, weil  zur Simulation der Ausbreitung des Wasserdampfes das gesamte  Strömungsfeld um den Kühlturm herum berechnet werden muß.  Zusammenfassung und Ausblick Die Strömungsmechanik, als wissenschaftliche Disziplin, die sich mit der Bewegung von Fluiden beschäftigt, stellt die  Basis der Luft- und Kältetechnik dar. Das bedeutet, dass strömungsmechanisches Wissen eine entscheidende Rolle bei  der Planung, Entwicklung und Optimierung luft- und kältetechnischer Apparate und Prozesse spielt. Um sich einen  ausreichenden Einblick in die entscheidenden Strömungsphänomene zu verschaffen, gibt es in den meisten Bereichen  der Luft- und Kältetechnik sowohl experimentelle, wie auch numerische Methoden (CFD). Bei beiden Methoden werden  bestimmte Vereinfachungen und Annahmen getroffen, das bedeutet die erhaltenen Resultate repräsentieren nur einen  Ausschnitt der Realität und nicht die Realität selbst. Um sich ein möglichst vollständiges Bild über die signifikanten  Vorgänge zu machen, ist es daher sinnvoll die beiden Methoden nicht als zwei austauschbare Werkzeuge zu sehen,  sondern viel mehr die Vorzüge beider Methoden in Abhängigkeit der jeweiligen Fragestellung zu nutzen, wie dies zum  Beispiel in der Flugzeugentwicklung seit vielen Jahren durchgeführt wird. An Hand der beschriebenen Beispiele ist  versucht worden die Einsatzmöglichkeiten der jeweiligen Methode zu verdeutlichen. Es ist festzustellen, dass durch die  rasante Entwicklung der Computerkapazitäten und der numerischen Methoden und die daraus resultierende  Reduzierung der Annahmen und Vereinfachungen bezüglich der Realität, CFD in einer steigenden Anzahl von Phasen  des Planungs- und Entwicklungsprozesses sinnvoll eingesetzt werden kann.  Niederlassungen: Niederlande Leeghwaterstraat 21 2628 CA Delft Tel.: +31 15 278 2907 Deutschland Weenermoorer Str. 193 26826 Weener Tel.: +49 4953 922 969 Beratendes Ingenieurbüro für Wärme- und Strömungstechnik Strömungs-Simulationen in der Luft- und Kältetechnik Abb. 1 Abb. 2 Abb. 3 Abb. 4 Abb. 5 Abb. 6 Abb. 7 Abb. 8 Abb. 9 Abb. 10 Abb. 11