SOLIDWORKS Flow Simulation: Ziele verstehen und effektiv nutzen

In der Welt der numerischen Strömungssimulation (CFD) mit Solidworks Flow Simulation spielen sogenannte „Ziele“ (Goals) eine zentrale Rolle. Sie sind nicht nur ein fundamentales Werkzeug, sondern auch ein Schlüssel zum Erfolg jeder Simulation. In diesem Artikel möchten wir als Experten für die SOLIDWORKS Flow Simulation Licht ins Dunkel bringen und alle Fragen rund um die Ziele klären. Wir werden das Konzept in drei Hauptbereiche unterteilen: Zunächst beleuchten wir den Zweck der Ziele, gefolgt von den verschiedenen Arten von Zielen und schließlich, wie Sie diese definieren.

I. Der Zweck von Zielen in SOLIDWORKS Flow Simulation

Ziele in SOLIDWORKS Flow Simulation erfüllen primär drei entscheidende Funktionen, die für eine effiziente und aussagekräftige Analyse unerlässlich sind:

1. Definition von Designzielen und wichtigen Kriterien: Der Hauptzweck der Ziele besteht darin, die wesentlichen Designvorgaben und analytischen Schwerpunkte Ihrer Simulation festzulegen. Dies könnte beispielsweise die maximale Geschwindigkeit in Y-Richtung im gesamten Modell sein oder die durchschnittliche Temperatur einer spezifischen Komponente. Nachdem die Simulation abgeschlossen ist und die Ergebnisse vorliegen, können Sie schnell eine Tabelle Ihrer definierten Ziele einsehen oder diese automatisch in einer Excel-Tabelle erstellen lassen. Dies bietet eine ausgezeichnete visuelle Zusammenfassung Ihres Projekts. Insbesondere im Vergleichstool, beispielsweise in Verbindung mit solidworks 2019 oder neueren Versionen, ermöglichen Zieltabellen einen aufschlussreichen Vergleich der Ergebnisse verschiedener Projekte, bei denen Sie entweder die Geometrie des Modells oder einen Strömungsparameter variiert haben. Nicht zuletzt können Sie die aktualisierten Werte für die Ziele auch im Lösungsmonitor während der Berechnung verfolgen.
2. Konvergenzkontrolle: Da die Gleichungen, die die Flüssigkeitsströmung beschreiben, hochgradig nichtlinear sind, wird das Problem iterativ gelöst. Dabei werden die Parameter in jeder Rechenzelle und jedem Lösungsschritt aktualisiert. Die Konvergenz dieser Iterationen lässt sich durch die Überwachung der Ziele in Tabellen und Diagrammen verfolgen. Anfänglich ändern sich die Zielwerte oft stark, aber im Laufe der Berechnung stabilisieren sie sich zunehmend und nähern sich einem bestimmten Wert an. Die Software selbst verfügt über eingebaute Funktionen zur Konvergenzprüfung, aber die Verwendung von Zielen gibt Ihnen als Anwender die Gewissheit, dass Ihre wichtigsten Designkriterien präzise erreicht werden. Dies ist besonders wichtig, um verlässliche Ergebnisse zu gewährleisten.
3. Beendigung der Berechnung: Der Solver könnte theoretisch unbegrenzt laufen. Irgendwann ändern sich die Lösungsparameter jedoch nur noch minimal mit aufeinanderfolgenden Iterationen, sodass die Berechnung beendet werden muss. Ziele sind eine hervorragende Möglichkeit, anzuzeigen, dass die Strömungsparameter zu einer stabilen Lösung konvergiert sind und es sinnvoll ist, die Simulation zu beenden. Aufgrund der konservativen Struktur der Software stoppt dies in den meisten Fällen deutlich früher, als es die internen Konvergenzkriterien des Solvers getan hätten, wodurch Sie wertvolle Berechnungszeit sparen.

Es ist wichtig zu beachten, dass bei den Punkten 2 und 3 von einer stationären Berechnung ausgegangen wird, bei der sich die Lösung nicht zeitlich ändert. Bei einer transienten Simulation sind Ziele ebenfalls wichtig und können während der Berechnung überwacht werden. Hierbei ist jedoch zu bedenken, dass die Parameter möglicherweise nie vollständig konvergieren, da sie sich ständig über die Zeit ändern. Anstatt Ziele zur Beendigung der Berechnung zu verwenden, läuft die transiente Simulation typischerweise bis zu einem bestimmten physikalischen Zeitpunkt, zu dem sie dann gestoppt wird.

II. Die verschiedenen Arten von Zielen

SOLIDWORKS Flow Simulation bietet fünf verschiedene Zieltypen, die eine umfassende Analyse ermöglichen:

1. Globale Ziele (Global Goals): Ein globales Ziel ist ein physikalischer Parameter, der über den gesamten Rechenbereich, also das Volumen, das alle Fluid- und/oder Festkörpervolumen umfasst, in dem die Lösung berechnet wird, ermittelt wird. Ein Anwendungsfall für ein globales Ziel wäre beispielsweise die Ermittlung der maximalen Temperatur für alle Festkörperkomponenten im Modell. Dies bietet eine schnelle Übersicht über kritische Werte im gesamten System.
2. Punktziele (Point Goals): Ein Punktziel ist ein Wert an einem spezifischen Punkt, der entweder über eine Referenzgeometrie oder durch Angabe von drei Koordinatenwerten definiert werden kann. Obwohl dieser Zieltyp seltener verwendet wird, ist er äußerst nützlich, wenn man die berechneten Ergebnisse mit physikalischen Testdaten an einem bestimmten Messpunkt vergleichen möchte. Für das Auslesen von Daten an Punkten in Ergebnisauswertungen kann auch das „Sonden“-Werkzeug in den Ergebnis-Tools genutzt werden.
3. Oberflächenziele (Surface Goals): Ein Oberflächenziel ist ein Parameter, der auf ausgewählten Oberflächen berechnet wird. Oftmals wird eine der Ein- oder Auslass-Randbedingungen als Oberfläche für diesen Zieltyp vorausgewählt. Wenn Sie einen Parameter wie den Gesamtdruck wählen, können Sie den Minimal-, Durchschnitts-, Maximal- oder Massenstrom-gewichteten Durchschnittswert auf dieser Oberfläche abfragen. Wählen Sie beispielsweise den Massenstrom, erhalten Sie den Integralwert für die gesamte Oberfläche. Oberflächenziele sind sehr nützlich, um Druckverluste zu ermitteln, wie später bei den Gleichungszielen erläutert wird. Für die Lizenzierung solcher spezialisierten Softwarelösungen kann eine solidworks einzellizenz eine kosteneffiziente Option sein.
4. Volumenziele (Volume Goals): Ein Volumenziel ist ein Parameter innerhalb spezifischer Volumen. Es kann auf Baugruppen, Komponenten innerhalb einer Unterbaugruppe und sogar Körper innerhalb eines Mehrkörperteils angewendet werden – im Grunde auf alles, was ein Volumen definiert. Ähnlich wie bei Oberflächenzielen können Sie mehrere Volumen auswählen. Ein häufiger Anwendungsfall ist die Verwendung eines Volumenziels als „Komponenten“-Ziel, um die Temperatur einer bestimmten Komponente zu ermitteln.
5. Gleichungsziele (Equation Goals): Nicht zuletzt sind Gleichungsziele von großer Bedeutung. Sie können unter Verwendung der zuvor genannten Zieltypen in einer mathematischen Gleichung definiert werden. Ein sehr einfaches Beispiel ist die Subtraktion des Oberflächendrucks am Einlass vom Oberflächendruck am Auslass, um die Druckdifferenz oder genauer gesagt den Druckabfall für das System zu erhalten. Sie können auch mehrere Gleichungsziele miteinander kombinieren. Ein Gleichungsziel ist, wie Sie sich vorstellen können, äußerst leistungsfähig, da es zur Berechnung von Designzielen wie dem Cv-Wert (Ventildurchflusskoeffizient), der Wärmetauschereffizienz, der Pumpeneffizienz und dem Strömungswiderstand (Drag-Koeffizient) verwendet werden kann. Dies zeigt, wie weit cad ai-gestützte Simulationen gehen können, um komplexe Ingenieurprobleme zu lösen.

III. Ziele definieren in SOLIDWORKS Flow Simulation

Der direkteste Weg zur Definition eines Ziels besteht darin, mit der rechten Maustaste auf das Symbol „Ziele“ (eine schwarz-gelb karierte Flagge) im SOLIDWORKS Flow Simulation-Baum zu klicken und den gewünschten Zieltyp auszuwählen. Alternativ können Sie dies auch über das Menü „Flow Simulation > Einfügen“ tun, wobei die Zieltypen ganz oben in dieser Liste aufgeführt sind.

Benutzeroberfläche zur Definition eines Oberflächenziels in SOLIDWORKS Flow Simulation

Ein Screenshot der Benutzeroberfläche zur Definition von Oberflächenzielen ist oben dargestellt. Zuerst müssen eine oder mehrere Oberflächen im Auswahlfeld angegeben werden. Anschließend können Sie die Kästchen neben den benannten Parametern auswählen. Sie sehen Spalten für Minimum (Min), Durchschnitt (Av), Maximum (Max) und Massenstrom-gewichteten Durchschnitt (Bulk Av). Die letzte Spalte ist standardmäßig ausgewählt, um das Ziel für die Konvergenzkontrolle zu verwenden (Use for Conv). Sie können auch mehr als ein Kästchen für Min, Av, Max oder Bulk Av aus der Liste auswählen, um mehrere separate Ziele im Baum zu definieren.

In diesem Beispiel, da ich dieselbe Fläche verwenden wollte, die ich zur Definition des Einlasses verwendet hatte, können Sie wie folgt vorgehen (ein animiertes GIF, das die Schritte zeigt, finden Sie unten):

Nachdem Sie die Definition des Oberflächenziels ausgewählt haben und die Dialogoberfläche erscheint, können Sie den „Flow Simulation“-Tab oben im Baum auswählen, um die Eingabeelemente aufzuteilen und anzuzeigen. Durch Auswahl der Randbedingung, die standardmäßig „Inlet Volume Flow 1“ genannt wurde, wird dieselbe Fläche zum Auswahlfeld für das Oberflächenziel hinzugefügt. Anschließend definieren Sie Ihr Ziel als einen durchschnittlichen statischen Druck auf dieser Fläche.

Fazit

Ziele sind ein unverzichtbarer Bestandteil der SOLIDWORKS Flow Simulation, der Ihnen hilft, Ihre Designziele präzise zu definieren, die Konvergenz Ihrer Berechnungen zu überwachen und wertvolle Berechnungszeit zu sparen. Durch das Verständnis der verschiedenen Zieltypen und ihrer korrekten Anwendung können Sie die Leistungsfähigkeit Ihrer Strömungssimulationen erheblich steigern und fundierte Designentscheidungen treffen. Wir hoffen, dass dieser Artikel Ihnen ein besseres Verständnis für die Ziele in SOLIDWORKS Flow Simulation vermittelt hat. Nutzen Sie diese mächtigen Werkzeuge, um Ihre Simulationen auf das nächste Level zu heben und optimale Ergebnisse zu erzielen! Wenn Sie weitere Fragen haben oder tiefer in spezifische Aspekte eintauchen möchten, freuen wir uns auf Ihre Kommentare und Anregungen.