CFD für Verbrennungsmotoren mit Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder Solution
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Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder Solution, ein Add-on für Simcenter STAR-CCM+, bietet einen zylinderinternen Workflow, der minimale Eingaben, eine optimierte Vorverarbeitung und automatisierte Postprocessing-Funktionen umfasst, die alle auf einer vollautomatischen Gittergenerierung mit Morph-Map- Ansatz basiert. Ergänzt durch branchenführende Modelle (Spray, Flüssigkeitsfilm, Zündung, Verbrennung, Emissionen) und Embedded-Design-Exploration-Funktionen ermöglicht es produktive ICE-CFD-Simulationen und die numerische Vorhersage der nächsten, effizienteren und leistungsstärkeren Motorkonstruktion.
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In einem der interessantesten Beispiele aus dem Webinar vom September 2023, unten dargestellt, wurden Ammoniak- und Dieselstrahlen bei verschiedenen Einspritzzeitpunkten und -winkeln untersucht. Dabei zeigte sich, dass unter bestimmten Bedingungen eine unzureichende oder zu starke Wechselwirkung der Kraftstoffsprays auftreten kann, was beispielsweise zu Fehlzündungen führt. Die Verlässlichkeit von CFD für präzise Phänomenvorhersagen verringert aufwendige Tests und ermöglicht tiefgreifendes Verständnis für die Konstruktion eines Motors, der solche Szenarien vermeidet.
Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder Solution
Während wir alle kontinuierlich von der Elektrifizierung von Automobilantrieben hören, bleibt die Tatsache, dass der Verbrennungsmotor nicht so bald verschwinden wird und noch jahrzehntelang ein fester Bestandteil der Antriebstechnik bleiben wird. Das Downsizing des Verbrennungsmotors und die Integration in Hybridantriebe stellen die Motorenentwicklung vor neue Herausforderungen, die nur durch umfassende CFD-Simulationen bewältigt werden können.
Die In-Cylinder Solution, ein Add-on für Simcenter STAR-CCM+, ermöglicht präzise CFD-Simulationen von Zylinderinnenräumen in Motoren mit Leichtigkeit. Das Standardeinstellungen und automatisch erstellte Postprocessing-Output geben dem Konstrukteur einen „fliegenden Start“: Man muss kein CFD-Experte sein, um eine der anspruchsvollsten CFD-Simulationen aufzusetzen und durchzuführen!
Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder Solution: Vorteile und Funktionen im Überblick
- Einfaches Problem-Setup: Motorsimulation in Minutenschnelle
- Automatisiertes Meshing: Morph & Map handhabt bewegliche Komponenten
- Cold Flow: Maximierung der eingeschlossenen Luftmenge
- Charge Motion: Bessere Durchmischung von Ansaugluft und eingespritztem Kraftstoff
- Verbrennung, Klopfen und Emissionen: Maximierung der Verbrennungseffizienz, Minimierung von Schadstoffemissionen
- Konjugierte Wärmeübertragung: Optimierung von Wärmemanagement durch gekoppelte Antriebsanalyse
- Workflow / Postprocessing: Steigerung der Produktivität durch minimale Eingaben und optimierten Workflow
- Automated Design Exploration: Automatische Optimierung der Motorleistung
- Validierung: Hervorragende Korrelation mit experimentellen Daten
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Einfache Problem-Setup
Das Add-on In-Cylinder Solution bietet eine minimale Oberfläche, die nur die für eine In-Cylinder-Simulation nötigen Eingaben zeigt und einen Top-Down-Workflow präsentiert: Sie starten oben und arbeiten sich schrittweise durch verschiedene Ebenen nach unten.
Sie müssen kein Simcenter STAR-CCM+ Experte sein, um In-Cylinder-Simulationen mit dem Add-on durchzuführen, da es einen anwendungsspezifischen Workflow und eine vereinfachte Oberfläche nutzt. Versierte Anwender können diese In-Cylinder-Simulationen als Basis für komplexere Multiphysik-Motorsimulationen nutzen, die das volle Potenzial der Simcenter STAR-CCM+ Funktionen ausschöpfen.
Die Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder Solution wurde entwickelt, um die Einrichtung zu vereinfachen und dem Analysten mehr Zeit für das Konstruieren der Lösung zu geben, statt das Problem umständlich per Maus und Tastatur einzurichten. Von der schnellen Einrichtung typischer Mehrloch-Injektoren, die einfach für die Sprühzielung angepasst werden können, über die rasche Kraftstoffauswahl bis zur automatischen Einrichtung gängiger Postprocessing-Outputs wie Flüssigkeits- und Dampfpenetrations-Plots und Kraftstoffmassenverfolgung wurde das Add-on so konstruiert und entwickelt, dass es den Simulationsaufbau erleichtert und es den Konstrukteuren ermöglicht, den größtmöglichen Nutzen aus dem Simulationsprozess zu ziehen.
Ihnen stehen nun Werkzeuge und Funktionen zur Verfügung, um Voll-, Halb- oder Sektormodelle zu erstellen und damit Viertakt- sowie Zweitaktmotoren in nur wenigen Minuten zu simulieren.
Automatisierte Vernetzung
Das In-Cylinder-Solution-Add-on nutzt einen Simulationstreiber zur Durchführung eines transienten Netzverformungsprozesses. Sie müssen lediglich ein Ausgangsnetz erstellen, bestehend aus getrimmten Zellen und Prismenschichten zur Erfassung von Grenzschichtströmungen. Die gesamte Netzbewegung wird automatisch vom Code gesteuert, der das Gitter selbstständig verformt und anpasst, um die Bewegung von Kolben und Ventilen zu berücksichtigen. Das Tool prüft die Netzqualität während der Verformung, generiert bei Bedarf automatisch ein neues, unverzerrtes Netz und überträgt die Simulationsergebnisse darauf.
Das Netz wird automatisch in kritischen Bereichen gemäß Best Practices verfeinert: um Ventil, Ventilsitz, Ventilhals, in den Kanälen und am Dichtungsspalt. Dies erfolgt automatisch bei jeder Simulation und bedarf keiner manuellen Eingriffe durch den Anwender. Andererseits haben Anwender volle Kontrolle über das Mesh-Setup und können weitere Verfeinerungsbereiche, etwa um eine Zündkerze, je nach Analyseanforderung hinzufügen.
Der eingesetzte Morph-Map-Ansatz wurde umfassend erprobt und gewährleistet für alle praktischen Anwendungen eine hohe Massenerhaltung.
Die Verwendung von Version 2206 oder neuer erlaubt zudem das Wiederverwenden von generierten und gespeicherten Netzen. Hierdurch entfällt die Netzgenerierungszeit ab dem zweiten Motorzyklus, was vor allem bei LES-Studien vorteilhaft ist, die zahlreiche Zyklen simulieren müssen, um zyklische Schwankungen präzise zu erfassen. Jede Netzstation im Zyklus wird als Datei mit .CCM-Erweiterung in einem vordefinierten Ausgabeverzeichnis gespeichert, wobei das °CA im Dateinamen als Netzkennung dient.
Dieser Ansatz ist besonders vorteilhaft bei LES-Studien, die eine erhöhte Anzahl von Motorzyklen simulieren müssen, um zyklische Schwankungen präzise zu erfassen.
In der neuesten Version, Simcenter STAR-CCM+ 2406, können Sie auch Geometrieteile einbinden, die statisch vernetzt werden. Dies spart Zeit, die der Morpher sonst für das Verformen und Abbilden des Gitters benötigen würde. Sei es Einlassplenum, Vorkammergehäuse oder Ähnliches, diese Funktion ist nützlich, wenn die Bewegung der Zelleckpunkte nicht relevant ist. In diesen Bereichen kann das Gitter grober ausfallen, was zuvor einige Schwierigkeiten bereitete. Hinweis: Sie profitieren nun von optimierten Anfangs- und Randbedingungen für diese Teile, wodurch Sie dieselbe Konfiguration erreichen, die normalerweise bis zu dreimal mehr Klicks benötigt, um statisch vernetzte Teile manuell einzubinden. Die Aktivierung von Flüssigfilmen mit statischen Teilen ist aktuell nicht möglich, wird aber in künftigen Versionen implementiert.
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Cold Flow
Eine In-Cylinder-Simulation gehört zu den komplexesten CFD-Simulationen, die Sie durchführen können. Die Kombination aus Hochgeschwindigkeitsströmungen, Netzbewegungen mit höchsten Anforderungen an die Massenerhaltung und sehr kleinen Zeitskalen (Bruchteile eines Kurbelwinkelgrades erfordern typischerweise Zeitschritte von etwa 1E-6 [s]) bedingt einen erheblichen Aufwand beim Setup. Die Numerik muss sorgfältig gewählt werden, um stabile Läufe mit vertretbaren Rechenzeiten zu ermöglichen. Dies gilt, bevor wir komplexe Physikmodelle für die Einspritzung flüssiger Kraftstoffe einbeziehen – etwa Lagrange-Spray, Tröpfchen-Wand-Interaktion, Wandflüssigkeitsfilm – sowie Verbrennungsmodelle für Zündung, Flammenausbreitung, Emissionsbildung und Klopfen.
Daher fokussieren sich frühe Simulationen im Entwicklungsprozess oft auf sogenannte Cold-Flow-Analysen. Dabei wird der transiente Luftströmungsprozess im Zylinder modelliert, meist mit dem Ziel, die eingeschlossene Luftmasse zu maximieren und die dadurch induzierten Strömungsbewegungen – Drall und Tumble – zu analysieren. Häufig betrachten wir die Turbulenzentwicklung, um die Kraftstoff-Luft-Vermischung besser zu verstehen und – speziell bei Ottomotoren – die Turbulenzstärke an der Zündkerze zum geplanten Zündzeitpunkt zu ermitteln.
Mit der Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder Solution lassen sich Kaltströmungssimulationen für Mehrventilmotoren durch automatisiertes Netzbewegungs-Setup aufsetzen. So gelangen Sie in Minuten von der CAD-Rohdaten zur laufenden Simulation.
URANS oder LES können je nach genauem Umfang Ihrer Simulationsprojekte und der zu erfassenden numerischen Effekte eingesetzt werden.
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Ladungsbewegung / Gemischaufbereitung
Mit Simcenter STAR-CCM+ 13.04 machten wir einen großen Sprung bei der Einrichtung und Durchführung von Ladungs-bewegungssimulationen . Dies erweitert unsere bestehenden Cold Flow-Funktionen um die Konfiguration der Flüssigkraftstoffeinspritzung und Simulation des Mischvorgangs. Ladungsbewegungssimulationen ermöglichen Motorherstellern, die Verbrennungsqualität zu optimieren, indem sie die Vermischung von Ansaugluft und Kraftstoff regeln und fette oder magere Gemischzonen erkennen und korrigieren, besonders in kritischen Zyklusphasen wie beim Kolbenanstieg zum OT und während der Zündung. Letzteres ist besonders wichtig bei heutigen Direkteinspritz-Konstruktionen, bei denen die direkte Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder die Gesamtströmung und Turbulenz stark beeinflusst – die durch Simulation gewonnenen Erkenntnisse sind wichtiger denn je.
Eine weitere wichtige Funktion der Ladungsbewegungssimulation ist die Bewertung möglicher Schadstoffbildung. Idealerweise streben wir eine hochwertige Kraftstoff-Luft-Mischung an, was besonders bei Direkteinspritzsystemen herausfordernd ist, da hier bei hoher Last über große Teile des Arbeitsspiels Kraftstoff eingespritzt wird. Magere und reiche Ladungszonen werden durch die Simulation ebenso aufgezeigt wie die Verdampfungsrate des flüssigen Kraftstoffs, dessen Auswirkung auf Zylinderoberflächen und ob sich dort Filme oder Ansammlungen bilden. Diese Faktoren weisen auf das Ausmaß schädlicher Emissionen hin, die – falls nicht gemindert – durch kostspielige Abgasnachbehandlungssysteme „bereinigt“ werden müssen.
Im Laufe der Jahre haben Erstausrüster umfangreiche Datenbanken für Konstruktionsrichtlinien entwickelt, die rein auf der Ladungsbewegung basieren. Dabei nutzen sie lediglich die Massenbewegung im Zylinder, Kennzahlen zur Kraftstoff-Luft-Mischqualität und Turbulenzniveaus an der Zündkerze, um die Verbrennungsqualität vorherzusagen. Dies spart wertvolle Konstruktionszeit, besonders in frühen Entwicklungsphasen eines Verbrennungssystems.
Eine Vielzahl von Aufbruch-, Tropfen-Wand-Aufprall- und Flüssigfilmmodellen bietet Anwendern das nötige Rüstzeug für erfolgreiche Simulationen dieser Art, bevor sie zu fortgeschrittenen Verbrennungsstudien übergehen. Darüber hinaus reduzieren standardmäßig angewandte temperaturabhängige Eigenschaften ab Version 2210 den manuellen Aufwand deutlich:
Für präzise Kraftstoffspray-Simulationen reicht die Annahme konstanter Eigenschaften bei Weitem nicht aus. Der Aufwand für den Anwender, Eigenschaften der Lagrange-Phase manuell auf temperaturabhängige Werte umzustellen, ist allerdings beträchtlich. Mit der Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder Solution erfolgt dieser Schritt vollautomatisch durch Nutzung von Daten aus einer mitgelieferten Datenbank.
Der Nutzen zeigt sich deutlicher in Diagrammen wie dem links. Die präzise Erfassung der Gemischaufbereitung ist entscheidend für die optimale Mischung von Kraftstoff und Luft vor den Phasen der In-Cylinder-Verbrennung. Die Brennstoffmasse wird hier mit konstanten gegenüber temperaturabhängigen Eigenschaften gezeigt.
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Verbrennung, Klopfen und Emissionen
Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder Solution bietet Verbrennungsfunktionen wie ECFM-3Z und ECFM-CLEH, ein fortgeschrittenes (ISSIM) sowie ein Standard-Zündmodell, Klopfmodelle (Tabulated Kinetic Ignition – TKI), ergänzt durch Emissionsmodelle für CO, NORA NOx und Rußemissionen, beispielsweise die Soot Sectional Method. Mit drei Releases pro Jahr erweitern wir kontinuierlich das Leistungsspektrum durch zusätzliche hochwertige Verbrennungsmodelle und Untermodelle zur Klopferkennung und Emissionsprognose.
Alternative und kohlenstofffreie Kraftstoffe rücken zunehmend in den Fokus. Daher sind alle im Code implementierten Verbrennungsmodelle voll kompatibel mit Kraftstoffen der Form CxHyOzNw, einschließlich Wasserstoff (H2) und Ammoniak (NH3).
Bei extremeren Betriebspunkten und -bedingungen können zuvor gültige Annahmen wie das ideale Gasgesetz ihre Gültigkeit verlieren. Um auf der sicheren Seite zu bleiben, hilft reales Gas mit dem Redlich-Kwong-Modell, das im Tool verfügbar ist, Anwendern, Effekte präzise vorherzusagen, die das ideale Gasgesetz nicht erfasst – wie Van-der-Waals-Kräfte, Kompressibilität, thermodynamische Nichtgleichgewichtseffekte und variable spezifische Wärmekapazität.
Um nützliche Informationen zur Brennkammerkonstruktion ohne detailliertes Modell zu gewinnen, kann das Modell der spezifizierten Brennrate (Wiebe) eingesetzt werden, welches die Brenngeschwindigkeit mittels Formfaktor und Verbrennungsdauer festlegt. Der Ansatz eignet sich zudem zur Erstellung von Wärmeübergangs-Randbedingungen für Motor-CHT-Analysen.
Die Grafik zeigt die Zylinderdruckkurve eines industriellen Viertakt-Dieselmotors. Hier verbessert die Anwendung des Realgasmodells die Vorhersage des Zylinderdrucks sowohl im Teil- als auch im Volllastbetrieb, wobei der Spitzendruck genauer mit den Testdaten übereinstimmt.
Die Modellierung von Verbrennung und Emissionen benötigt manchmal Bibliotheken mit vortabellierten chemischen Daten. Anstatt diese mit DARS oder Drittanbieter-Tools zu generieren – oder Standardkraftstoff-Tabellen aus dem Support Center zu nutzen – können Anwender nun die ECFM-Tabellengeneratoren ab Version 2210 verwenden: Die Funktion zur Erstellung von Tabellen für (i) laminare Flammengeschwindigkeit, (ii) Motorklopfen, (iii) Ruß, (iv) Gleichgewicht, wobei Letzteres für Simulationen mit dem ECFM-CLEH-Verbrennungsmodell benötigt wird.
Dies erhöht die Flexibilität durch den Wegfall externer Werkzeuge.
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Gekoppelte Wärmeübertragung (Conjugate Heat Transfer, CHT)
Über Standardsimulationen hinaus ist bei der Effizienzsteigerung durch Downsizing in modernen Motorkonstruktionen ein effektives Wärmemanagement entscheidend. Konstruktionen mit höchstem thermischem Wirkungsgrad innerhalb der Designgrenzen werden mittels konjugierter Wärmeübertragungssimulationen des Gesamtmotors analysiert.
Die Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder-Solution bietet zudem eine einheitliche Anwenderumgebung für die Simulation von Fluid- und Festkörperseite, also für Zylinder- und Motor-CHT-Modelle. Der Austausch von Wärmeübertragungs-Randbedingungen zwischen den Modellen sowie die Möglichkeit zur Workflow-Automatisierung sind Aspekte, die sich unkompliziert umsetzen lassen:
Den Anwendern wird eine automatisierte Methode zur Berechnung und zum Export zyklusgemittelter Wärmeübertragungsdaten (räumlich gemittelte Wärmeübergangskoeffizienten und Referenztemperaturen) angeboten, die es ermöglicht, thermische Randbedingungen in einer anschließenden Motor-CHT-Analyse anzuwenden. Der Workflow wird dadurch erheblich optimiert und effizienter.
Traditionell benötigte der In-Cylinder-/CHT-Ansatz mehrere CFD-Programme. Verschiedene Dateiformate und Datenzuordnungen zwischen Softwarepaketen stellten stets operative Herausforderungen dar. Jetzt, da die gekoppelte In-Cylinder-/Motor-CHT-Analyse vollständig in Simcenter STAR-CCM+ durchführbar ist, vereinfacht sich der Gesamtprozess erheblich und ermöglicht die Automatisierung des kombinierten Simulationszyklus mittels JAVA-Scripting.
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Workflow / Postprocessing
Der anwendungsspezifische Workflow der Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder Solution erfordert minimale Eingaben des Anwenders, wodurch die Gesamtdurchlaufzeiten reduziert werden. Verschiedene Funktionen gewährleisten ein reibungsloses Pre- und Postprocessing von In-Cylinder-Simulationen. Nur ein kleiner Teil davon ist hier abgebildet.
Das Add-on zeigt Anwendern eine gruppierte Liste von UI-Objekten , um „Maus-Scrolling-Aufwand“ beim Suchen des gewünschten Elements zu reduzieren. Die Verwendung von Unterordnern ermöglicht die Kategorisierung nach Domäne (Zylinder, Anschlüsse/Ventile) oder Beschaffenheit (Netz, Lösung, Physik). Der Nutzen wird bei Mehrzylinder-Ausführungen noch deutlicher, die in künftige Versionen integriert werden sollen.
Das Generieren/Exportieren von Plot- und Szenenausdrucken, eine Funktion, die Anwendern die vollständige Anpassung des Dateinamens ermöglicht, ergibt eine chronologisch sortierte Dateiliste mit °KW/degKW als direktem Indikator. Somit lässt sich die Liste auch zur Videoerstellung nutzen, ohne Bilddateinamen manuell umwandeln zu müssen.
Eine weitere nützliche Funktion, der zyklische Modus von Diagrammen, ermöglicht die Darstellung von Daten in einem zyklischen Muster, besonders hilfreich bei In-Cylinder-Analysen. Die Funktion ermöglicht es Anwendern des Add-ons, Motorzyklen durch Übereinanderlegen der entsprechenden 2D-Kurven (X-Y) zu vergleichen und Unterschiede automatisch hervorzuheben. Dies geschieht ohne manuelle Eingriffe, da der Modus in allen relevanten Diagrammen standardmäßig aktiv ist.
Mit einer weiteren nützlichen und kürzlich eingeführten Postprocessing-Funktion ist die Visualisierung der integrierten Wärmefreisetzungsraten, des verbrannten Massenanteils (MFB) von 10-50 % oder 90 % sowie der Verbrennungsdauer nur einen Klick entfernt, was die Produktivität auf die nächste Stufe hebt. Exportieren Sie keine Wärmefreisetzungskurven mehr und führen Sie keine mühsamen Berechnungen in Tabellen durch, um die Leistung Ihrer Motorkonstruktion zu bewerten. Alle zur Berechnung dieser Werte erforderlichen Baumstrukturen werden automatisch erzeugt.
Klicken Sie hier, um weitere Ergebnisse eines Ammoniak-Motors interaktiv zu erkunden!
Automatisierte Design-Exploration
Design Manager als eingebettetes Tool ermöglicht es Anwendern, die Automatisierung, Skalierbarkeit und Flexibilität der Plattform zu nutzen, um Konstruktionsstudien effizient durchzuführen und ihre Motoren für die nächste Generation zu optimieren.
Das Add-on In-Cylinder Solution erstellt automatisch ein parametrisches Modell, sodass Sie mit wenigen Klicks verschiedene Betriebszustände analysieren und Strömungen sowie Turbulenzen bei diversen Drehzahlen und Lasten untersuchen können.
Es wurde ein Geometrietausch eingeführt, der die einfache Durchführung von geometrischen Konstruktionsvarianten und die Wiederverwendung bestehender Simulationseinstellungen auf andere Geometrien ermöglicht.
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Validierung anhand von Experimenten
Sowohl In-Cylinder Solution als auch Simcenter STAR-CCM+ wurden für Motorsimulationen umfassend validiert, wobei sowohl proprietäre als auch frei verfügbare Motorkonstruktionen zum Einsatz kamen. Ein Beispiel ist unsere Validierung des Transparent Combustion Chamber-III (TCC-III) Optischen Verbrennungsmotors der Universität Michigan, welcher ein 2-Ventil-Zylinderkopf, 4-Takt-Motor mit Fremdzündung und einer pfannkuchenförmigen Brennkammer ist.
Die Ergebnisse zeigen eine ausgezeichnete Übereinstimmung mit globalen thermodynamischen Größen wie Zylinderfüllung, Druck und Temperatur. Verglichen mit der Visualisierung am Prüfstand werden auch die wesentlichen Strömungsmerkmale gut abgebildet.
Eine weitere detaillierte Validierungsstudie wurde mit der F&E-Abteilung der Daimler AG durchgeführt. Sie belegt eine exzellente Übereinstimmung zwischen hochauflösenden Hochgeschwindigkeits-PIV-Messungen und Simcenter STAR-CCM+-Prognosen in einer modernen GDI-Motorkonfiguration.
Für weitere Details zu unserer Verbrennungsvalidierung sehen Sie das On-Demand-Webinar zur CFD-Simulation der In-Cylinder-Verbrennung, das 2019 virtuell abgehalten wurde.
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Engagiert auf dem Markt für Verbrennungsmotoren
Siemens Digital Industries Software widmet sich voll und ganz dem Markt für Verbrennungsmotor-Simulation und erkennt, dass Verbrennungsmotoren weiterhin relevant bleiben und nur fortgeschrittene Simulation die saubereren, effizienteren Motoren liefern kann, die die Gesellschaft verdient.
Simcenter STAR-CCM+ enthält das Add-on „In-Cylinder Solution“, das dreimal jährlich aktualisiert wird. Wir entwickeln stetig neue Funktionen für diese Simulationen.
Ein Team hochqualifizierter CFD-Motorenexperten unterstützt Sie jederzeit bei der Lösung selbst komplexester Probleme der In-Cylinder-Strömungssimulation.
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Für Informationen zum CFD-Angebot von Siemens für ICE-Anwendungen, zum Herunterladen von Simcenter STAR-CCM+ oder zum Erstellen einer Support-Anfrage besuchen Sie bitte das Support-Center.
Für Fragen und Austausch mit der Community besuchen Sie bitte die Community-Seite „In-Cylinder Flow & Combustion“ .
