CFD-Simulation in 1D, 2D oder 3D: Wann lohnt sich die 3D-Strömungssimulation?

Autor: Dr. Christian Lämmle, combustion and flow solutions

Eine 3D-CFD-Simulation lohnt sich dann, wenn die Antwort auf eine technische Frage vom örtlichen, dreidimensionalen Strömungsfeld abhängt – etwa von Ablösungen, Rezirkulationszonen oder Mischvorgängen. Reichen gemittelte Grössen wie Volumenstrom, Druckverlust oder Wasserstand, sind 1D- oder 2D-Modelle meist schneller und völlig ausreichend. Entscheidend ist die Frage: Verändert das Verständnis der 3D-Strömung die technische Entscheidung?

Das Wichtigste in Kürze

• 1D-Modelle berechnen gemittelte Grössen entlang eines Strömungswegs, zum Beispiel Druckverluste und Volumenströme in Rohrnetzen. Sie sind schnell und eignen sich für Systembetrachtungen und viele Varianten.
• 2D-Modelle zeigen die Strömung in einer Ebene, etwa tiefengemittelt in Gewässern oder in achsensymmetrischen Bauteilen.
• 3D-CFD-Simulation bildet das vollständige räumliche Strömungsfeld ab, einschliesslich Sekundärströmungen, Ablösung, Rezirkulation und Mischung.
• 3D lohnt sich, wenn lokale Strömungseffekte das Ergebnis bestimmen und einfachere Methoden diese Information nicht liefern können.
• Prüffrage: Nicht „Können wir das in 3D simulieren?“, sondern „Ändert das 3D-Verständnis die Entscheidung?“

Was unterscheidet 1D-, 2D- und 3D-Strömungs­simulation?

CFD steht für Computational Fluid Dynamics, auf Deutsch numerische Strömungssimulation. Je nach Fragestellung wird die Strömung mit unterschiedlichem Detailgrad berechnet:

1D-Simulation

Eine 1D-Simulation berechnet gemittelte Grössen entlang eines Strömungswegs, etwa Volumenströme, Drücke, Druckverluste oder Wasserstände. Verluste in Bauteilen werden über Kennwerte wie Verlustbeiwerte oder Durchflusszahlen berücksichtigt. Ergebnisse liegen oft in Sekunden bis Minuten vor. Typische Anwendungen sind Rohrnetze, Systemauslegung und Variantenvergleiche.

2D-Simulation

Eine 2D-Simulation zeigt die Strömung in einer Ebene oder über die Tiefe gemittelt, zum Beispiel die Geschwindigkeitsverteilung in Fliessgewässern und auf Überflutungsflächen oder in achsensymmetrischen Bauteilen. Der Aufwand liegt zwischen 1D und 3D.

3D-CFD-Simulation

Eine 3D-CFD-Simulation bildet das vollständige räumliche Strömungsfeld ab: Geschwindigkeits-, Druck- und Temperaturfelder, Wirbel, Ablösungen und bei Bedarf Partikel- oder Tropfenbahnen. Der Aufwand ist höher. Bei einfacher Geometrie und Physik dauert die Berechnung bis zu fünf Tage, bei besonders komplexen Geometrien oder umfangreichen Optimierungsberechnungen bis zu vier Monate.

Wann reichen 1D- oder 2D-Modelle?

Für viele technische Aufgaben sind empirische Korrelationen, 1D-Modelle oder 2D-Simulationen genau das richtige Werkzeug. Sie sind schnell, effizient und liefern oft alle benötigten Informationen – zum Beispiel, wenn:

• die Strömung im Wesentlichen einer Hauptrichtung folgt,
• gemittelte Grössen wie Volumenstrom, Druckverlust oder Wasserstand die Frage beantworten,
• für die Bauteile bewährte Kennwerte vorliegen, etwa Verlustbeiwerte oder Durchflusszahlen,
• viele Varianten oder Betriebspunkte in kurzer Zeit verglichen werden sollen.

Wann braucht es eine 3D-CFD-Simulation?

Interessant wird es, wenn die Antwort vom örtlichen, dreidimensionalen Strömungsfeld abhängt. Ein integrales Ergebnis zeigt dann, was passiert – das 3D-Strömungsfeld erklärt, warum. Typische Fälle:

• Verzweigungen und Vereinigungen in hydraulischen Systemen: Sekundärströmungen und Ablösungen bestimmen Verluste und die Wasserlinie.
• Absetz- und Sedimentationsbecken: Ob sich Partikel absetzen, hängt von lokalen Geschwindigkeiten und Rezirkulationszonen ab.
• Komplexe Mischprozesse: Wie gut sich Stoffe mischen, entscheidet sich im räumlichen Strömungsfeld.
• Ventile während des Öffnens: Durchflusszahlen hängen vom Hub ab, und auf den Ventilteller wirken zeitlich veränderliche Strömungskräfte.
• Ablöse- und Rezirkulationszonen, die bestimmen, was stromabwärts geschieht.

Beispiele aus unseren Projekten zeigen das: die CFD-Fallstudie zur Optimierung eines Sitzventils, die Strömung in einem Wasserkanal und die Partikelabscheidung in einem Zyklon.

Die entscheidende Frage: Ändert das 3D-Verständnis die Entscheidung?

Ziel einer 3D-CFD-Simulation ist nicht, einfachere Ingenieurmethoden zu ersetzen. Sie sollte dort eingesetzt werden, wo sie Informationen liefert, die diese Methoden nicht liefern können.

Die richtige Frage lautet deshalb nicht: „Können wir das in 3D simulieren?“ Sondern: „Wird das Verständnis der 3D-Physik die technische Entscheidung verändern?“ Fünf Prüffragen helfen bei der Einordnung:

1. Hängt das Ergebnis von lokalen Effekten ab – Ablösung, Wirbel, Mischung, Hotspots?
2. Gibt es für die Geometrie belastbare Kennwerte oder Korrelationen?
3. Weichen Messungen oder Betriebserfahrungen von der einfachen Berechnung ab?
4. Was kostet eine Fehlentscheidung – etwa ein zusätzlicher Prototyp oder ein Umbau?
5. Lässt sich das Problem mit einer Messung überhaupt beobachten?

Je öfter die Antwort für 3D spricht, desto eher lohnt sich die detaillierte Simulation.

Häufige Fragen zur CFD-Simulation

Was ist eine CFD-Simulation?

Eine CFD-Simulation berechnet Strömungen numerisch, also mit dem Computer. Das untersuchte Gebiet wird dazu in viele kleine Zellen aufgeteilt, in denen Geschwindigkeit, Druck, Temperatur und weitere Grössen berechnet werden. So lassen sich Strömungen sichtbar machen, die im Versuch nur schwer oder gar nicht beobachtet werden können.

Was ist der Unterschied zwischen einer 1D- und einer 3D-Simulation?

Eine 1D-Simulation rechnet mit gemittelten Werten entlang eines Strömungswegs und liefert zum Beispiel Druckverluste und Volumenströme. Eine 3D-CFD-Simulation berechnet das vollständige räumliche Strömungsfeld und zeigt auch lokale Effekte wie Wirbel, Ablösungen und Rezirkulationszonen.

Wie lange dauert eine 3D-CFD-Simulation?

Das hängt von Geometrie, Physik, Modellgrösse und Rechenleistung ab. Bei einfacher Geometrie und Physik dauert die Berechnung bis zu fünf Tage, bei besonders komplexen Geometrien oder umfangreichen Optimierungsberechnungen bis zu vier Monate.

Welche Daten werden für eine CFD-Berechnung benötigt?

Wichtige Grundlagen sind die CAD-Geometrie, die Betriebsbedingungen wie Massenströme, Drücke und Temperaturen sowie die Stoffdaten der beteiligten Medien. Vorhandene Messdaten helfen, die Berechnung abzugleichen.

Weiterführende Beiträge

• Zyklonabscheider berechnen: Abscheidegrad und Druckverlust mit CFD bestimmen
• Vorkammerzündung im Wasserstoff-Verbrennungsmotor
• Ursachenanalyse mit CFD: Vom Symptom zur Ursache

Brauchen Sie für Ihre Fragestellung eine 3D-CFD-Simulation?

Wir klären mit Ihnen, ob eine einfachere Berechnung ausreicht oder ob sich die 3D-Strömungssimulation für Ihre Entscheidung lohnt.

CFD-Fragestellung unverbindlich besprechen