Dipl.-Ing. Anika Stein

Kurzbeschreibung:

In vielen Bereichen des Maschinenbaus, wie zum Beispiel in der Automobilindustrie, der Kunststoffherstellung, der Luft- und Raumfahrt und zahlreichen anderen Anwendungsgebieten, ist die Simulation von Strömungen von hoher Bedeutung. Herkömmlicherweise werden Verfahren wie die Finite Elemente Methode (FEM) und das Finite Volumen Verfahren (FVV) verwendet. Diese sind gitterbasiert, auf die Kontinuumshypothese gestützt und liefern in vielen Fällen sehr gute Näherungslösungen. Es treten dennoch Problemstellungen auf, für welche diese Verfahren an ihre Grenzen stoßen. Im Falle eines einfachen Gleitlagermodells, kann der Lagerzapfen gegen das Gehäuse schlagen, was ein Zusammenbrechen der Netzstruktur verursacht. Um derartige Probleme zu berechnen, ist es notwendig alternative Methoden zu erforschen. Immer häufiger kommen Partikelverfahren zum Einsatz. Dabei beschreiben die Partikel die Strömung, sie bewegen sich durch das Rechengebiet und sind gleichzeitig Träger physikalischer Eigenschaften. Für die Berechnung von Strömungen ist die Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) Methode am weitesten vorbereitet, da sie ein hohes Entwicklungspotential in sich trägt.

Die SPH Methode ist ein Lagranges, gitterfreies Verfahren um partielle Differentialgleichungen wie die Navier-Stokes-Gleichung zu lösen. Dabei werden Strömungseigenschaften direkt auf eine Menge von Partikeln gespeichert. Das Verfahren wurde 1977 von den Namensgebern Gringold und Monaghan und zeitgleich von Lucy entwickelt, der es mit dem Bestreben die Atomspaltung numerisch zu berechnen einsetzte. Im Rahmen der SPH-Methode werden die Erhaltungsgleichungen in differentieller Form gelöst, was für die Rheologie außerordentliche Vorteile bereitstellt. Besonders geeignet ist das Verfahren für Strömungsprozesse mit freien Oberflächen oder Mehrphasenströmungen.

Die SPH Methode soll auf im Maschinenbau relevante Bauteile, wie Gleitlagerungen angewendet werden. Dabei spielen die Randbedingungen und die Beschreibung des Drucks eine große Rolle. Für beides besteht aktuell im Rahmen der SPH Methode ein hoher Forschungsbedarf.