CFD-Software für Studierende: Sehen, wie Strömung funktioniert

Was ist CFD?

Computational Fluid Dynamics (CFD) nutzt einen Computer, um vorherzusagen, wie sich Flüssigkeiten und Gase bewegen: Luft um ein Auto, Wasser in einem Tank, Wärme, die von einer heißen Fläche aufsteigt. Der Computer teilt den Raum in ein Gitter aus kleinen Zellen und löst in jeder davon die Gleichungen der Fluidbewegung, immer wieder, bis sich die Strömung eingestellt hat. Ingenieure setzen CFD unter anderem in der Luft- und Raumfahrt, im Fahrzeugbau, in der Energietechnik und bei der Kühlung von Elektronik ein.

Wenn Sie CFD lernen möchten, ob für den Physik-Leistungskurs, ein Ingenieurstudium oder einfach aus Neugier, ist das Schwierigste, ein Gefühl dafür zu bekommen, was die Ergebnisse bedeuten. Deshalb funktioniert CFD für Einsteiger am besten, wenn man das Ergebnis sofort sieht. Visaria führt die gesamte Berechnung auf der GPU (Grafikkarte) Ihres Computers aus, was es schnell genug als Lernwerkzeug macht, und es ist eine Ingenieursimulation, mit der Sie in wenigen Minuten loslegen können.

Warum CFD schwer zu lernen ist und was hilft

Die meisten Studierenden begegnen CFD als Seiten voller Gleichungen (die Navier-Stokes-Gleichungen, Turbulenzmodelle, Diskretisierungsverfahren), gefolgt von einem professionellen Programm mit einer langen Liste an Einstellungen und einem Netz, das stimmen muss, bevor überhaupt etwas läuft, und dann nur langsam. Es ist leicht, ein Ergebnis zu bekommen, ohne zu wissen, wodurch es entstanden ist.

Verständnis entsteht durch Wiederholung: eine Sache ändern, sehen, was passiert, sie zurückändern. Das ist schwierig, wenn jede Iteration viele Minuten oder Stunden dauert. Visaria ist genau um diese Schleife herum gebaut. Es rechnet in interaktiver Geschwindigkeit auf Ihrer Grafikkarte, sodass sich eine Einstellung bewegt und die Strömung sich vor Ihren Augen verändert. Sie sehen weiterhin echte Physik, etwa Luftströmung, Widerstand, Druck, Wärme, Auftrieb und Wasser mit freier Oberfläche, verbringen Ihre Zeit aber damit, einem Modell Fragen zu stellen, statt auf es zu warten. Zusätzlich geben die „So funktioniert es“-Seiten in der Visaria-App einen Überblick darüber, wie jeder Solver funktioniert, welche Grundprinzipien und Parameter wichtig sind und worauf man für gute Ergebnisse besonders achten sollte.

Was Sie damit lernen können

• Aerodynamik. Wie sich die Strömung hinter einer Form ablöst, wo sich Druck aufbaut, was Stromlinien zeigen, wie eine bewegte Straße das Bild verändert und wie die Form den Widerstand beeinflusst. Siehe den virtuellen Windkanal.
• Gasauftrieb und Gasausbreitung. Wie Gase in strömender Luft aufsteigen, absinken und sich vermischen. Siehe Gasausbreitungssimulation.
• Wärmeübertragung. Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung zusammen mit der Luftströmung, und warum Kühlkörper Rippen haben. Siehe thermische Simulation.
• Wasser. Wellen, Schwappen sowie Füllen und Entleeren rund um Hindernisse. Siehe Wassersimulation.
• Die Methode selbst. Was ein Netz ist, warum die Gittergröße wichtig ist, was Randbedingungen bewirken und wie Konvergenz aussieht, mit Diagrammen und Diagnosedaten neben jeder Simulation.

Strukturanalyse (FEA) mit Kräften, Spannungen und Dynamik ist als künftiger Solver geplant und noch nicht verfügbar.

So läuft eine erste Sitzung ab

1. Fordern Sie die kostenlose 7-Tage-Testversion an. Ein Testschlüssel wird Ihnen per E-Mail geschickt, ganz ohne Zahlungskarte. Installieren Sie Visaria und geben Sie den Schlüssel ein.
2. Öffnen Sie ein vorgefertigtes Szenario (eine Autoform, einen Kühlkörper, einen Wassertank) und starten Sie die Simulation.
3. Ändern Sie etwas: die Windgeschwindigkeit, ein Material, die Stelle, an der ein Gas eintritt. Beobachten Sie, was die Strömung tut, und ändern Sie es dann zurück.
4. Öffnen Sie eine Anleitung im Learning Hub zur Idee dahinter, etwa warum Kühlkörper Rippen haben oder was Rezirkulation ist. Quick-Click-Links führen Sie direkt zum passenden Szenario.
5. Laden Sie Ihr eigenes STL-Modell oder bauen Sie eines im Mesh Builder, und stellen Sie dieselben Fragen an Ihre eigene Konstruktion.

Ein Sprungbrett zu professionellen Werkzeugen

Visaria ist ein Sprungbrett, kein Ersatz für professionelle Software. Es soll das Verständnis aufbauen, mit dem sich solche Programme leichter lernen und leichter beurteilen lassen.

Visaria verwendet ein grobes Voxelgitter und Solver, die auf Echtzeit ausgelegt sind, daher sind die Ergebnisse indikativ. Sie eignen sich, um zu sehen, was eine Strömung tut, und um Ideen zu vergleichen, aber nicht für Zahlen, die Sie belegen müssen. Wenn eine Arbeit validierte Ergebnisse braucht, verwenden Sie ein validiertes Werkzeug und fragen Sie Ihre Lehrkraft, wie Simulationsergebnisse anzugeben sind.

Studierendenlizenzen und die kostenlose Testversion

Die kostenlose 7-Tage-Testversion enthält die Solver Aero, Gas, Thermal und Water, Beispielzugang zum Learning Hub und Unterstützung über das Community-Forum. Sie wird nie von selbst zu einem kostenpflichtigen Tarif.

Ermäßigte Studierendenlizenzen sind auf Anfrage für Personen ab 16 Jahren in Vollzeitausbildung an einer Universität, einem College, einer Oberstufe oder einer gleichwertigen Einrichtung erhältlich. Schreiben Sie von Ihrer Adresse der Bildungseinrichtung an licensing@visaria.dev. Wenn Sie unter 18 sind, beantragt und kauft ein Elternteil oder Erziehungsberechtigter für Sie. Lehrkräfte und Dozenten können unter education@visaria.dev nach Lizenzen für Klassen, Labore und Fachbereiche fragen. Die Standardtarife finden Sie unter Preise.

Was Sie zum Ausführen brauchen

Visaria läuft unter Windows und benötigt eine dedizierte Grafikkarte: Mindestens eine NVIDIA GeForce GTX 1050 oder AMD Radeon RX 560, empfohlen wird eine RTX 2060 oder RX 5600 XT oder besser, dazu ein Intel Core i5 der 8. Generation (oder gleichwertig) und 8 GB Arbeitsspeicher. Versionen für Mac und Linux folgen in Kürze. Mit der kostenlosen Testversion prüfen Sie am schnellsten, ob Visaria auf Ihrem Computer gut läuft.