Ziel der Verwendung von Berechnungsmethoden ist der nutzbringende Einsatz während des gesamten Entwicklungsprozesses, sowohl in den frühen Phasen (Entscheidungsfindung, pre-Design) als auch in späteren Phasen (Optimierung). Mit der Möglichkeit, parallel Versuche am OWI durchzuführen, ergibt sich eine ideale Plattform für die Validierung von Simulationsergebnissen sowie die direkte Umsetzung am Bauteil.
Abbildung 1: CAE-Methoden am Oel Waerme Institut GmbH
Der Bereich "Berechnung" umfasst die Teilbereiche "dynamische Systemsimulation", "Strömungssimulation und Strukturanalyse" sowie "Systemanalyse und Optimierung".
Abbildung 2: CFD: Umströmung eines Probenträgers. Alterung von Kunststoffen in Heizöl.
Die Anwendung von Strömungssimulationen (CFD – Computational Fluid Dynamics) ist integraler Bestandteil der Designphase verfahrenstechnischer Apparate. Bereits im frühen Stadium lassen sich durchströmte Bauteile kostengünstig mittels Erkenntnissen aus der Strömungssimulation optimieren (Reaktive Strömung, Verbrennungssimulation, Mehrphasenströmung).
Ergänzend werden numerische Strukturanalysen der oft thermisch hoch belasteten Bauteile mittels Finite-Elemente-Methoden durchgeführt (CSM – Computational Structural Mechanics). Die thermische Belastung des Materials resultiert hier oftmals aus den thermischen Randbedingungen der Strömung, etwa der Wärmefreisetzung durch chemische Reaktionen. In technischen Bauteilen ist insbesondere die kurzzeitige mechanische Belastung, wie sie durch Aufheiz- und Abkühlvorgänge hervorgerufen wird, von Bedeutung. Hohe Temperaturgradienten führen hier zu mechanischem Versagen durch Rissbildung. Entlastend wirken Phänomene wie die plastische Bauteilverformung und Kriechvorgänge. In der Langzeitbetrachtung entscheiden Kriechvorgänge und Hochtemperaturkorrosion über den Belastungszustand und sind somit für die Lebensdaueranalyse von entscheidender Bedeutung. Trotz weitreichender Möglichkeiten heutiger Berechnungswerkzeuge ist die Modellierung dieser zeitabhängigen Zusammenhänge weitestgehend Gegenstand der Forschung.
Abbildung 3: Kriechenvorgänge bei zyklischer, thermischer Belastung
Der Teilbereich "dynamische Systemsimulation" umfasst die dynamische Modellierung komplexer technischer und physikalischer Systeme (Brennstoffzellensysteme, Hausheizungssysteme). Modelle technischer Systeme werden verwendet, um nicht vorhandene Systemteile zu emulieren und somit bereits in der Designphase Entwürfe für Regelungssysteme zu ermöglichen. Weiterhin werden dynamische Modelle bei sogenannten "Hardware/Software in the Loop" Verfahren bei der Steuerungsentwicklung für die Systemidentifikation und die Bestimmung von Regelungsparametern entwickelt.
Abbildung 4: Emulation eines Heizkreissystems zum Testen von Kesselsystemen
Im Teilbereich "Systemanalyse" werden numerische Grundlagenuntersuchungen aus dem Bereich der thermischen
Verfahrenstechnik durchgeführt. Hierzu gehören die Analyse von Gemischbildungsprozessen mehr-phasiger Systeme sowie die
Modellierung von Reaktions/Verbrennungsprozessen.
Weiterhin werden maßgeschneiderte Werkzeuge für die Ingenieurspraxis in Form rechnergestützter Methoden angewendet. Im Focus
stehen hier insbesondere Methoden für die Versuchsplanung, Datenanalyse und Auswertung sowie Methoden zur Sicherheitsanalyse
und zur datenbasierten Prozessanalyse (Neuronale Netze) angesiedelt.
Abbildung 5: Analyse einer Reaktionskinetik für n-heptan im Bereich der Niedertemperaturchemie. Reaktionsraten einzelner Gleichungen für langsame Oxidation (links), Niedertemperaturoxidation (mitte) und Zündung (rechts). 63 Spezies, athmosphärischer Druck.