Die numerische Strömungsmechanik (englisch: computational fluid dynamics, CFD) ist eine etablierte Methode der Strömungsmechanik.

Sie hat das Ziel mit numerischen Methoden ein vorgegebenes strömungsmechanisches Problem zu lösen. Die meisten Problemstellungen befassen sich konkret mit der Lösung der dreidimensionalen Navier-Stokes-Gleichungen. Es handelt sich hierbei um ein System von nichtlinearen partiellen Differentialgleichungen 2. Ordnung, die ein newtonsches Fluid komplett beschreiben.

Bewährte Lösungsmethoden der numerischen Strömungsmechanik sind:

• die Finite-Differenzen-Methode (FDM)
• die Finite-Volumen-Methode (FVM)
• die Finite-Elemente-Methode (FEM)
• die Spektralmethode, auch teilweise Spektral Elemente Methode (SEM) genannt
• die Lattice-Boltzmann-Methode (LBM)
• die Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)
• die Randelementmethode (boundary element method, BEM)

Bei allen Methoden handelt es sich um numerische Näherungsverfahren, die zur Validierung häufig mit quantitativen Experimenten verglichen werden. Die Basis der oben genannten Methoden ist die Diskretisierung des Problems mit einem Rechengitter (Ausnahme: Partikelmethoden wie SPH).

Bei turbulenten Strömungen gibt es für die numerische Strömungssimulation noch viele offene Fragen: Entweder man verwendet sehr feine Rechengitter wie bei der direkten numerischen Simulation oder man verwendet mehr oder weniger empirische Turbulenzmodelle, bei denen neben numerischen Fehlern zusätzliche Modellierungsfehler auftreten. Einfache Probleme können auf Highend-PCs in Minuten gelöst werden, während komplexe 3D-Probleme selbst auf Großrechnern teilweise kaum zu lösen sind.

Bei Mehrphasenströmungen spielen Wechselwirkungskräfte zwischen den Phasen eine Rolle, wobei geeignete Vereinfachungen durchgeführt werden können.

CFD-Verfahren bilden auch die Grundlage für die Numerische Aeroakustik, die sich mit der Berechnung von Strömungsgeräuschen befasst.

Software

---

Verbreitete kommerzielle Programmpakete zur numerischen Strömungssimulation sind

• FLUENT von der Firma Fluent Inc. FLUENT
• FLOW-3D von der Firma Flow Science Inc. FLOW-3D
• CFX von der Firma Ansys Inc. CFX
• STAR-CD und STAR-CCM+ von der Firma CD-adapco
• Fire von der Firma AVL AVL

Die wichtigsten Codes der europäischen Luft- und Raumfahrtindustrie bzw. Forschung sind

• elsA (entwickelt am ONERA und dem CERFACS) für strukturierte Gitter bzw.
• Tau (entwickelt am DLR) für unstrukturierte Gitter

Open Source Software

• OpenFOAM: Ein ehemals kommerzieller Code ist jetzt unter der GPL erhältlich. Auch für andere numerische Probleme anwendbar (Strukturmechanik, Elektrostatik, MHD, etc.). Implementierungen für LES und DNS vorhanden. OpenFOAM
• OpenFlower: Ein einfach zu bedienender 2D- und 3D-Strömungslöser für inkompressible turbulente Fluide. OpenFlower
• Gerris Flow: Solver für inkompressible Fluide. GFS

Eine große Anzahl weiterer kommerzieller und freier CFD-Programme, welche für unterschiedliche Spezialgebiete entwickelt wurden, ist erhältlich.

Numerische Mathematik | Strömungslehre

Computational fluid dynamics | دینامیک محاسباتی سیالات | Computational fluid dynamics | CFD | Fluidodinamica computazionale | CFD | 计算流体力学