Ingenieurbüro nutzt Simcenter STAR-CCM+ für Überprüfung und Nachweis der Tunnelsicherheit

Simulieren widriger Gegebenheiten

Immer mehr Straßen werden unterirdisch gebaut, nicht nur im Gebirge, sondern auch in dicht besiedelten Gebieten. In Tunnels und Untergrundbahnhöfen müssen die Lebensbedingungen für deren Nutzer mit technischen Mitteln geschaffen werden. Für die Bereitstellung von Frischluft und die Abgasbeseitigung braucht es Lüftungssysteme. In Notfällen, etwa bei Unfall oder Brand, müssen die Menschen die Gefahrenzone verlassen können. Neben Fluchtwege-Leitsystemen ist dafür eine Gebäudekonstruktion erforderlich, die den Menschen durch entsprechende Luftzirkulation ermöglicht, unter der Rauschschicht reine Luft zu atmen und die Notausgänge zu finden.

„Die Lüftungsanlagen in Tunnels oder Stationsgebäuden sind extrem komplex“, sagt Erwin Schnell, Projektleiter bei HBI Haerter. „Ihre Konstruktion muss beim ersten Wurf passen. Sie kann nicht anhand von Prototypen überprüft und verbessert werden, sondern nur per Strömungssimulation mittels Computational Fluid Dynamics (CFD).“

Diese ist nicht nur Aufgabe, sondern Mission für den erfahrenen Spezialisten, der bereits 1989 in der Entwicklung für Luft- und Raumfahrt sowie Automobilbau numerische Simulation einsetzte. Bei der Präsentation der instationären Simulation eines Auspuffsystems in einer VR-CAVE nutzte er 1998 erstmals immersive virtuelle Entwicklungsmethoden. Zudem treibt er seit 2013 wesentlich die Augmented Reality. Schnell ist auf Brandund Rauch-simulationen spezialisiert. Er gehört zu den 40 Experten von HBI Haerter. Mit mehr als 800 erfolgreich umgesetzten Referenzprojekten gehört diese Techni-kergruppe mit zwei Standorten in der Schweiz und zwei weiteren in Deutsch-land und Australien zu den weltweit führenden Beratungsunternehmen für die Tunnellüftung.

Simcenter STAR CCM+ für numerische Kontinuumsmechanik

Zur Berechnung der durch Verkehrsbewegungen oder Lüftung hervorgerufenen Luftströme und Rauchausbreitung in Tunnels und Bahnhöfen verwenden die Simulationsexperten von HBI Haerter die Software Simcenter™ STAR-CCM+™. Dieses Paket ist Teil von Simcenter™, einem umfassenden Portfolios von Simulationssoftware und Testlösungen von Siemens PLM Software, einem Spezialisten für das Produktlebenszyklusmanagement (PLM).

Obwohl keineswegs auf Strömungsberechnungen beschränkt, steht bei dieser Software für Analyse und Lösung von Problemstellungen mit Fluidströmen CFD durch schrittweise Näherung mittels numerischer Analysen und Datenstrukturen im Mittelpunkt. Es basiert auf der Finite-Volumen-Methode zur Darstellung und Auswertung der Navier-Stokes-Gleichungen. Das wird auch als numerische Kontinuumsmechanik (engl. computational continuum mechanics) bezeichnet, daher das CCM in Simcenter STAR-CCM+.

„Das gesamte Strömungsfeld wird dargestellt durch eine entsprechende Anzahl einfach verbundener Volumensdurchflusselemente, die in einem Vorgang namens räumliche Diskretion oder Vernetzung erzeugt werden“, sagt Schnell. „Geschwindigkeiten und skalare Größen wie Temperatur oder Rauchkonzentration werden dabei für jedes einzelne Element berechnet.“

Einfach anpassbare Simulation

Als Schnell vor beinahe 30 Jahren begann, mittels computergestützter Engineering (CAE) Software Simulationen durchzuführen, wählte er Simcenter™ STAR-CD™, einen Vorläufer von Simcenter STAR-CCM+.

„Mehr als jede andere damals verfügbare Software war Simcenter STAR-CD erkennbar von Ingenieuren für Ingenieure entwickelt worden“, sagt Schnell. „Gleiches gilt für dessen modernes Nachfolgeprodukt, das ich seit seiner Markteinführung 2005 verwende.“

Die Software wurde vom leeren Blatt Papier weg mit einem objektorientierten Ansatz zum simultanen Lösen von Strömungs- und Wärmeübergangsproblematiken entwickelt.

„In meinen Augen ist Simcenter STAR-CCM+ viel mehr als nur ein Stück Software“, sagt Schnell. „Es ist ein Prozess, der sich einfach maßgeschneidert an die gesamte Vielfalt kundenspezifischer Bedürfnisse anpassen lässt.“

Zu den Unterschieden zwischen einzelnen Kundenprojekten gehören Qualität und Format der in verschiedenen CADSoftwaretools erzeugten Geometriedaten. Simcenter STAR-CCM+ unterstützt zahlreiche Formate für das Importieren von 3D-Volumskörpern aus allen gängigen CAD-Systemen. Eine integrierte voll parametrische, Feature-basierende 3D-Modellierung ermöglicht zudem das Erzeugen und Modifizieren der Geometrie direkt in der Software.

„Das gibt uns die Möglichkeit, durch das Setzen verschiedener Parameter schrittweise die Geometrie zu optimieren“, sagt Schnell. „Die Software kann iterativ Parameterlisten durchgehen. So lassen sich die Auswirkungen konstruktiver Varianten extrem effizient untersuchen.“

Dies wird noch verstärkt durch den eingebauten Design Manager, der Anwendern in Simcenter STAR-CCM+ das Erstellen und automatische Überprüfen ganzer Konstruktionsfamilien ermöglicht, einschließlich Prozessmanagement und Leistungsbewertung. Die Software ermöglicht den einfachen Zugriff auf sämtliche Operationen und kann über Parameter nach Anpassungen der Geometrie die Netze automatisch neu berechnen.

„Mit Simcenter STAR-CCM+ erhalten wir zuverlässig reproduzierbare Ergebnisse mit dem bestmöglichen Minimum an Meshing-Einflüssen“, sagt Schnell.

Rasche Ergebnisse für fundierte Entscheidungen

Aktuelle Versionen von Simcenter STAR-CCM+ können auch direkt mit der Software Teamcenter® verlinkt werden, um dort erzeugte Product Lifecycle Manage-ment extensible Markup Language (PLM XML) Dateien zu importieren und exportieren. Als Master-Dateien enthalten diese die Namen, Attribute und Speicher-orte der echten CAD-Daten, die in praktisch allen gängigen Formaten (einschließlich dem Datenformat JT™ und dem der Software Parasolid® oder der Software NX™, um nur einige wenige zu nennen) vorliegen können. Die verbesserte Assoziativität mit den CAD-Daten gibt Simulationsingenieuren die Gewiss-heit, immer das richtige Modell vor sich zu haben. Die Workflow-Tools von Teamcenter ermöglichen Ingenieuren aller Disziplinen mit wenig oder gar keinem Zusatzaufwand eine enge Zusammenarbeit.

Andererseits enthält Simcenter STAR-CCM+ Werkzeuge, dieSimulationsingenieuren helfen, sich auf das Modellieren von Funktionen zu konzentrieren, ohne bei der Geometrie zu sehr ins Detail gehen zu müssen.

„Kürzlich hatte ich in einem Projekt nichts als eine einfache Skizze“, sagt Schnell. „Mittels generischer geometrischer Formen wie Würfel und Zylinder konnte ich innerhalb von nur vier Stunden mit Überzeugung valide Simulationsergebnisse präsentieren.“

Diese Fähigkeit ermöglichte dem Kunden, innerhalb kürzester Zeit eine fundierte Entscheidung zu treffen, eine immer wichtiger werdende Anforderung. Sie macht auch das Erlernen der Software einfach, sodass neue Mitarbeiter schnell produktiv werden können.

Realismus durch Multiphysik

Ähnlich einfach das Vereinen verschiedenerAspekte ineinerMultiphysiksimulation, um ein umfassendes Abbild des realen Verhaltens eines Produktes oder Szenarios zu erhalten. In Simcenter STAR-CCM+ werden all diese Möglichkeiten aus einer einzigen integrierten Umgebung heraus aufgerufen. Diese enthält Geometrie, Netz, Randbedingungen, physikalische Modelle und Simulationsergebnisse. Sie bietet zudem eine einfach aufzurufende Programmierschnittstelle (Application Programming Interface; API) zur Verbindung zu anderen Simulations-tools für die Co-Simulation.

„Bei der Notfall-Modellierung für die Konstruktion unterirdischer Bahnhöfe integrieren wir eine Wärmequelle, Lüftungsanlagen, die Aerodynamik fahrender Züge und die Auswirkungen von Menschen auf den Bahnsteigen mit der Kaminwirkung der Architektur“, sagt Schnell. „Mit einem Overset Mesh, das es erlaubt, hierarchische Simulations-szenaren zu erzeugen, ermöglicht uns Simcenter STAR-CCM+, unabhängige Aspekte zu umfassenden multiphysikalischen Simulationen zu verbinden. Die CFD-Experten von HBI Haerter führen nicht nur Brand- und Rauchsimulationen durch, sondern nutzen die gesamte Bandbreite der von STAR-CCM+ bereitgestellten Verfahren wie VoF, DEM, FSI, Mulitphase Flow, etc.“

Je reichhaltiger der digitale Zwilling ist, desto mehr Rechenleistung erfordert die Simulation. HBI Haerter betreibt Rechencluster am Hauptstandort in Zürich, um ausreichend Kapazitäten im Haus bereitzustellen. Bei Überlastung kann auf weitere Kapazitäten im Hochleistungsrechenzentrum (HLRS) Stuttgart zugegriffen werden. Die Client-Server- Architektur von Simcenter STAR-CCM+ ermöglicht Anwendern Problemlösungen unter Verwendung kleinerer Computer, wobei die rechenintensive Mathematik auf eine externe Maschine ausgelagert wird. Eine nur für dieses Produkt von Siemens PLM Software erhältliche Power Session Lizenz ermöglicht gegen eine fixe Jahresgebühr die Durchführung von Simulationen auf beliebig vielen Prozessoren.

„Durch massive Parallelverarbeitung erreichen wir sehr kurze Durchlaufzeiten“, sagt Schnell. „Im Vergleich zu allen anderen mir bekannten Softwaretools für die CFD-Simulation bietet Simcenter STARCCM+ sehr effiziente Dekompositionsverfahren, sodass wir die Anzahl der Prozessoren mühelos an die Erfordernisse der jeweiligen Aufgabe anpassen können.“

Virtualität für reale Entscheidungen nutzen

Simcenter STAR-CCM+ bietet einen ständig steigenden Grad an Realismus. Dazu gehört die Nutzung von Virtual Reality (VR) Brillen als Mensch-Maschine-Schnittstelle. Die VR-Brillen ermöglichen ihren Anwendern, in die Simulation einzutauchen um zum Beispiel die Fluchtmöglichkeiten im Brandfall zu überprüfen.

„Anwender können zur Visualisierung des Strömungsfeldes und der Rauch- und Temperaturschichten auf dem Bahnsteig masselose Partikel freisetzen“, sagt Schnell. „Sie können völlig gefahrlos zu den nächstgelegenen Ausgängen gehen und überprüfen, ob die Fluchtwege rauchfrei sind.“

Zu den Vorteilen der VR-Simulation gehört, dass Brandsachverständige Schwachstellen an Orten analysieren können, die in der Realität nicht zugänglich und in herkömmlicher Dokumentation nicht darstellbar sind. 2018 nahm Schnell Verhandlungen mit Ämtern und Versicherungen auf. Diese könnten schon bald auf Basis numerischer Nachweise in Form von Touren durch verrauchte Gebäude in der virtuellen Realität Baufreigaben erteilen.