GPU-Technologie in Ansys Fluent: Beschleunigung der Simulation statt Windkanal

Seit über 100 Jahren setzt Krone auf Qualität und Innovation bei ihren Nutzfahrzeugen. Heute müssen die LKW-Trailer-Gespanne mit sämtlichen Anbauteilen – wie Radkappen und Heckflügel – entsprechend den Richtlinien der Europäischen Kommission hinsichtlich ihrer CO₂-Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs zertifiziert werden. Entscheidend dabei sind Strömungswiderstände (c_w-Werte), die entweder durch Messungen im Windkanal oder durch Berechnung der Außen-Aerodynamik mittels CFD-Software bestimmt werden.

Die Entwicklungsingenieure bei Krone können ihre Trailer mit verschiedensten Anbauteilen auch ohne aufwändige und teure Messungen im Windkanal hinsichtlich des Strömungswiderstands mit der CFD-Software von Ansys beurteilen. Durch die schnelle Analyse mittels Simulation lassen sich Kosten reduzieren und Entwicklungszeiten verkürzen.

Außerdem wird derzeit eine neue EU-Norm ausgearbeitet, bei der die Zertifizierungspflichten und Vorschriften für die Bestimmung der CO₂-Emmisionen und des Kraftstoffverbrauchs von schweren Nutzfahrzeugen auf numerischer Simulationssoftware basiert. Dazu werden zukünftig entsprechende Programme und generische 3D-Fahrzeugmodelle bereitgestellt. Dabei sind dann natürlich die Trailer-Hersteller im Vorteil, die schon längerfristig auf die Simulation gesetzt haben und auf umfassende Erfahrungen zurückgreifen können.

Die CFD-Simulationen bieten jedoch nicht nur Informationen für die EU-Zertifizierung, denn die anschauliche Darstellung des Strömungsfeldes gibt den Konstrukteuren wichtige Hinweise auf Verbesserungspotential. Sogenannte Totzonen oder Bereiche mit Wirbelablösungen lassen sich zuverlässig identifizieren. Die Simulation erlaubt ein besseres Verständnis über das Verhalten des Trailers und ermöglicht damit die Identifikation von konstruktiven Maßnahmen, um den Kraftstoffverbrauch für den Endkunden weiter zu reduzieren.

Für eine zusätzliche Beschleunigung sorgt der GPU-Solver in Fluent. Damit stehen die Berechnungsergebnisse in sehr kurzer Zeit zur Verfügung. Durch die größere Anzahl von Simulationen in gleicher Zeit sind umfangreichere Variantenstudien durchführbar, mit denen das Design noch zielgerichteter optimiert werden kann.

Krone setzt bei der Ermittlung der c_w-Werte auf die Simulation mit Ansys Fluent. Durch die Simulation des Trailer-Gespanns lassen sich konstruktive Änderungen und ihre Effekte auf schnelle Art und Weise analysieren und bewerten. Dazu muss kein reales Modell angefertigt und in einem Windkanal getestet werden. Dies birgt einen deutlichen Vorteil bei der Auslegung der Aerodynamik, da die Ursache-Wirkungs-Beziehung bei Strömungsdetails nicht immer augenscheinlich ist und schon kleine Veränderungen bei der Reduzierung des Strömungswiderstands zu signifikanten CO₂-Einsparungen während des gesamten „Trailer-Lebens“ führen können.

Ein zusätzlicher Nutzen beim Fluent-Einsatz entsteht dadurch, dass auch die Vernetzung unsauberer Geometrien mit dem Fault-Tolerant-Workflow in Fluent Meshing effizient durchgeführt wird, ohne die Geometrie vorher aufwändig zu reparieren. Und auch sehr große, beziehungsweise fein vernetzte Modelle lassen sich mit dem neuen GPU-Solver von Fluent schnell berechnen.

700 Iterationen bei einer Netzgröße von 30 Millionen Knoten werden in weniger als 10 Minuten durchgeführt– davon konnte man bisher nur träumen. Solche Rechenzeiten wurden bislang nur mit einer massiven Parallelisierung auf einer Vielzahl an CPU-Kernen erreicht. Mit der neuen Fluent GPU-Technologie passiert das jetzt auf leistungsstarken Grafikkarten, bei deutlich niedrigerem Kosten- und Energieaufwand.