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Rapid CFD für die frühe konzeptionelle Design Phase

Weber, Daniel and Peña Serna, Sebastian and Stork, André and Fellner, Dieter W. (2012):
Rapid CFD für die frühe konzeptionelle Design Phase.
In: NAFEMS Online Magazin, 21 (1), pp. 70-79, [Article]

Abstract

Ein wichtiger Teil des Produktentwicklungszyklus ist die Optimierung der strömungs- oder strukturmechanischen Eigenschaften einer Komponente, die normalerweise in einem iterativen und sehr aufwändigen Prozess stattfindet. Neben der Modifikation, Vereinfachung und des Vernetzens der Bauteilgeometrie, kann die Simulation mitunter Stunden bis Tage dauern. In frühen konzeptionellen Designphasen müssen verschiedene Materialparameter sowie unterschiedliche Geometrien ausprobiert und verglichen werden, um zu einem für das spätere Produkt optimalen Design zu gelangen. Dieser zeitaufwändige Prozess begrenzt deutlich die Anzahl der Möglichkeiten, die analysiert werden können. In dieser Arbeit wird das Framework "Rapid CFD" vorgestellt, das es ermöglicht, schnelle Strömungssimulationen für die frühe konzeptionelle Designphase einzusetzen. Um eine solche Geschwindigkeit zu erreichen, wird die Berechnung und Visualisierung von zweidimensionalen Strömungen in Echtzeit kombiniert. Das ermöglicht die interaktive Modifikation von Parametern und Randbedingungen und damit eine schnelle Analyse und Bewertung von unterschiedlichen Geometrien und eine frühzeitige Optimierung eines Bauteils. Das Framework führt alle Berechnungen auf der Graphikkarte (graphics processing unit - GPU) aus und vermeidet damit das aufwändige Kopieren zwischen CPU- und GPU-Hauptspeicher. Die Berechnungen werden auf einem Standard-Desktop PC ausgeführt, sodass die Simulationsergebnisse im Graphikkartenspeicher bleiben und direkt zur Visualisierung verwendet werden können. Für die Modellierung der Geometrie werden B-Splines verwendet, damit Benutzer lokal die Form durch einzelne Kontrollpunkte modifizieren können. Die Diskretisierung wird ebenfalls auf der GPU ausgeführt. Die Berechnung eines einzelnen Zeitschritts auch für Millionen von Unbekannten wird in Bruchteilen von Sekunden durchgeführt. Die intuitive geometrische Manipulation in Kombination mit der unmittelbaren Visualisierung der Simulationsgrößen wie Druck und Geschwindigkeit ermöglichen die direkte Analyse des Einflusses von Geometrie- und Parameteränderungen. Obwohl diese neuartige Simulationstechnik noch nicht die hohe Präzision konventioneller Simulationen erreicht, ermöglicht diese Technik die Beobachtung von Trends und Tendenzen.

Item Type: Article
Erschienen: 2012
Creators: Weber, Daniel and Peña Serna, Sebastian and Stork, André and Fellner, Dieter W.
Title: Rapid CFD für die frühe konzeptionelle Design Phase
Language: German
Abstract:

Ein wichtiger Teil des Produktentwicklungszyklus ist die Optimierung der strömungs- oder strukturmechanischen Eigenschaften einer Komponente, die normalerweise in einem iterativen und sehr aufwändigen Prozess stattfindet. Neben der Modifikation, Vereinfachung und des Vernetzens der Bauteilgeometrie, kann die Simulation mitunter Stunden bis Tage dauern. In frühen konzeptionellen Designphasen müssen verschiedene Materialparameter sowie unterschiedliche Geometrien ausprobiert und verglichen werden, um zu einem für das spätere Produkt optimalen Design zu gelangen. Dieser zeitaufwändige Prozess begrenzt deutlich die Anzahl der Möglichkeiten, die analysiert werden können. In dieser Arbeit wird das Framework "Rapid CFD" vorgestellt, das es ermöglicht, schnelle Strömungssimulationen für die frühe konzeptionelle Designphase einzusetzen. Um eine solche Geschwindigkeit zu erreichen, wird die Berechnung und Visualisierung von zweidimensionalen Strömungen in Echtzeit kombiniert. Das ermöglicht die interaktive Modifikation von Parametern und Randbedingungen und damit eine schnelle Analyse und Bewertung von unterschiedlichen Geometrien und eine frühzeitige Optimierung eines Bauteils. Das Framework führt alle Berechnungen auf der Graphikkarte (graphics processing unit - GPU) aus und vermeidet damit das aufwändige Kopieren zwischen CPU- und GPU-Hauptspeicher. Die Berechnungen werden auf einem Standard-Desktop PC ausgeführt, sodass die Simulationsergebnisse im Graphikkartenspeicher bleiben und direkt zur Visualisierung verwendet werden können. Für die Modellierung der Geometrie werden B-Splines verwendet, damit Benutzer lokal die Form durch einzelne Kontrollpunkte modifizieren können. Die Diskretisierung wird ebenfalls auf der GPU ausgeführt. Die Berechnung eines einzelnen Zeitschritts auch für Millionen von Unbekannten wird in Bruchteilen von Sekunden durchgeführt. Die intuitive geometrische Manipulation in Kombination mit der unmittelbaren Visualisierung der Simulationsgrößen wie Druck und Geschwindigkeit ermöglichen die direkte Analyse des Einflusses von Geometrie- und Parameteränderungen. Obwohl diese neuartige Simulationstechnik noch nicht die hohe Präzision konventioneller Simulationen erreicht, ermöglicht diese Technik die Beobachtung von Trends und Tendenzen.

Journal or Publication Title: NAFEMS Online Magazin
Volume: 21
Number: 1
Uncontrolled Keywords: Forschungsgruppe Semantic Models, Immersive Systems (SMIS), Business Field: Virtual engineering, Research Area: Confluence of graphics and vision, Computational fluid dynamics (CFD), Conceptual design, Embodiment design, Mesh modifications, GPU computing
Divisions: 20 Department of Computer Science
20 Department of Computer Science > Interactive Graphics Systems
Date Deposited: 12 Nov 2018 11:16
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