Strömungsdynamische Formoptimierung mit cashocs

Software hilft durch Designoptimierung Prozesse in Chemie und Produktion zu verbessern

Unser hochentwickeltes Softwarepaket cashocs unterstützt bei industriellen Problemstellungen, indem es Formoptimierungsprobleme löst und neue Designvorschläge liefert. Als besonderen Fokus verwenden wir cashocs in der Strömungsdynamik, wo wir die Software zur Verbesserung von Strömungskomponenten einsetzen, z.B. bei kontinuierlichen chemischen Reaktoren.

Strömungsdynamische Formoptimierung beschäftigt sich mit der Frage, wie eine Verbesserung einer Strömungskomponente – also z.B. kontinuierliche chemische Reaktoren oder Elektrolysezellen – erreicht werden kann. Wie muss die Form eines solchen Bauteils verändert werden, um den Prozess zu verbessern? Das ist häufig entscheidend, da in den Komponenten oft spezielle Prozessbedingungen, wie eine gleichmäßige Strömungs- oder Verweilzeitverteilung oder ein niedriger Druckverlust, vorliegen müssen. Unsere Software cashocs automatisiert die Formoptimierung solcher Komponenten und Systeme für industriell relevante Problemstellungen. Damit lösen wir auch äußerst komplexe Problemstellungen innerhalb kürzester Entwicklungszeit.

Softwaretool cashocs verwendet aktuelle numerische Lösungsalgorithmen

Unsere Software verwendet spezialisierte Algorithmen, welche dem aktuellen Stand der Technik im Bereich der Formoptimierung mit Partiellen Differentialgleichungen (Partial Differential Equation = PDE) entsprechen und sowohl äußerst effizient als auch sehr robust sind. Durch das intuitive Python Interface reduziert cashocs die Zeit zwischen Simulation und Optimierung eines Systems enorm. Sobald eine Simulation möglich ist, verkürzt sich zudem der Optimierungsprozess mit cashocs von Wochen und Monaten auf Stunden oder gar Minuten.

Space-Mapping Technik ermöglicht Kopplung mit kommerziellen Simulationstools

Die von uns weiterentwickelten Space-Mapping Methoden ermöglichen es, kommerzielle Simulationstools wie z.B. Ansys Fluent® zur Simulation zu verwenden und diese mit cashocs zur Optimierung zu koppeln. Dabei wird in cashocs ein vereinfachtes Modell genutzt, welches schnell optimiert werden kann, und mit den Simulationen der kommerziellen Software kalibriert wird. Dies ermöglicht die Optimierung von komplexen Problemen und bringt einen großen Zeitgewinn mit sich. So reduziert sich der Aufwand für Unternehmen zur Lösung von industriell relevanten Problemstellungen erheblich.

Optimiertes Design eines Mikrokanal-Kühlsystems
© Fraunhofer ITWM
Optimiertes Design eines Mikrokanal-Kühlsystems

Vielfältige industrielle Anwendungsmöglichkeiten mit cashocs

Wir verwenden cashocs zur Formoptimierung von

  • Elektrolysezellen
  • Chemischen Reaktoren
  • Mikrokanal-Systemen
  • Polymer-Spinnpaketen

Zusätzlich nutzen wir cashocs, um Parameteridentifikationsprobleme im Kontext von chemischen Reaktionen zu lösen.

Initiale Auslegung des Strömungsfeldes einer Elektrolysezelle
© Fraunhofer ITWM
Initialer Entwurf des Strömungsfeldes einer elektrolytischen Zelle. Die Strömung ist nicht gleichmäßig verteilt und konzentriert sich auf die zentralen Kanäle.
Optimierte Gestaltung des Strömungsfeldes einer Elektrolysezelle
© Fraunhofer ITWM
Optimierte Gestaltung des Strömungsfeldes einer Elektrolysezelle. Die Strömung ist deutlich besser verteilt und das Design stellt einen Kompromiss zwischen gleichmäßiger Strömungsverteilung und mechanischer Stabilität dar.

Umfangreiche Dokumentation zeigt Features der Software

In der Dokumentation unserer Software gibt es vielfältige Beispiele dafür, wie cashocs zum Einsatz kommt. Die Funktionen der Software beleuchten wir detailliert in eigenständigen Tutorials. Zusätzlich ist die öffentliche API der Software beschrieben.

 

Weiterführende Publikationen

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Animation der Formoptimierung des Flow Fields. In den Optimierungsschritten wird die Länge der Kanäle angepasst, wodurch ein gleichmäßiges Durchströmen des Flow Fields erreicht wird.