Computational Fluid Dynamics (CFD) ist die Untersuchung des Verhaltens von Flüssigkeiten, flüssigen und gasförmigen, durch den Einsatz leistungsfähiger Computer, auf denen Software für numerische Methoden läuft. Das Wissen um die Wechselwirkung von Feststoffen mit umgebenden strömenden Flüssigkeiten ist von zentralem Interesse bei der Konstruktion vieler mechanischer Geräte. CFD hat die Themen erweitert, auf die fluiddynamische Studien und Experimente angewendet werden können.
Traditionell wurden numerische Strömungsanalysen in Windkanälen oder fließenden Wassertanks mit echten Flugzeugen oder Modellflugzeugen, Autos und Booten durchgeführt. Beim Einsatz von CFD sind die Mechanismen so unterschiedlicher Ereignisse wie Vulkanausbrüche, Hurrikane, stehende Wirbel im Wasser oder in der Luft, Meeresströmungen, der Verlauf von Waldbränden und mehr potenzielle Ziele. Eine Grenze für diese Studien ist die Kenntnis der Variablen, die für jedes System definiert werden müssen. Minimale Variablen umfassen Temperatur, Druck und Zusammensetzungen für Systeme, die chemische Reaktionen an einer definierten Grenze durchlaufen.
CFD-Software basiert auf der Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen oder deren Vereinfachungen. Die interessierenden Variablen werden für eine bekannte Grenze im System definiert. Ein virtuelles Gitter von entweder zwei oder drei Dimensionen wird über das System gelegt, und die Gleichungen werden für die Eigenschaften des ein- und ausgehenden Fluids an jeder virtuellen Grenze gelöst. Die Entwicklung von CFD-Software ging mit der Verfügbarkeit von Rechenleistung einher, da die Algorithmen wiederholt berechnet und optimiert werden müssen, bis Lösungen gefunden sind.
Die Fahrzeugkonstruktion ist ein häufiges Ziel von Strömungsexperimenten. Luftströmungen um Autos herum wirken sich auf Leistung, Kraftstoffverbrauch und Geräuschpegel aus. Flugzeuge, Boote und insbesondere Raumfahrzeuge verlassen sich auf diese Studien zur Vorhersage von Hitze- oder Eisbildung sowie zur Stromlinienformung, um Reibungsverluste zu reduzieren.
Wärmeableitung ist ein wichtiges Thema in der Computational Fluid Dynamics. Alle elektronischen Komponenten sind anfällig für Hitzestau und werden oft in kleinen Kästen mit begrenztem Luftstrom eingeschlossen. Durch die Verwendung von CFD-Modellen können Konstrukteure Komponenten auf eine bessere Luftzirkulation und Kühlung umleiten.
Die Untersuchung von Grenzschichtbedingungen wird durch Computational Fluid Dynamics angegangen. Die Grenzschicht bezieht sich auf die sehr dünne Flüssigkeitsschicht, die entlang der Oberfläche eines Festkörpers statisch ist, der sich im Weg einer sich bewegenden Flüssigkeit befindet. In dieser Mikroumgebung sind Korrosion, Wärmeübertragung und Komponentenkonzentration am kritischsten.
Der Erwerb von Fähigkeiten im Bereich der numerischen Strömungssimulation erfordert in der Regel eine Ausbildung in Chemieingenieurwesen oder ähnlichen Studiengängen. Ein gründliches Verständnis von Stofftransport, Wärmeübertragung, Kinetik und Strömungsmechanik ist erforderlich. Der Umgang mit kommerziellen CFD-Anwendungspaketen wird oft von der Softwarefirma gelehrt oder die Fähigkeiten werden on-the-job entwickelt.