Czym jest symulacja CFD?

Czym jest symulacja CFD?

W tym artykule zajmiemy się ogólnym zrozumieniem symulacji CFD, opisując kolejne etapy wspólne dla różnych rodzajów symulacji (wentylacja i klimatyzacja, hydrologia, wymiana ciepła, rozprzestrzenianie zanieczyszczeń, bezpieczeństwo pożarowe…).

Definicja CFD

Dlaczego warto stosować symulację CFD?

CFD, skrót od « Computational Fluid Dynamics », to narzędzie inżynierskie należące do tzw. inżynierii wspomaganej komputerowo (CAE). Dokładniej, CFD oznacza symulację przepływu płynów, z uwzględnieniem zjawisk fizycznych i chemicznych, które w nim występują (takich jak turbulencja, wymiana ciepła czy reakcje chemiczne).

Symulacja CFD: alternatywa dla badań w tunelu aerodynamicznym

Badania w tunelu aerodynamicznym

Badania w tunelu aerodynamicznym mają na celu odtworzenie oddziaływania turbulentnego wiatru z konstrukcjami. W przypadku obiektów sztywnych konstrukcyjnie można ocenić obciążenia aerodynamiczne na sztywnych modelach fizycznych.

Badania w tunelu aerodynamicznym były szeroko stosowane w zastosowaniach przemysłowych i w budownictwie w ciągu ostatnich pięciu dekad.

Badania w tunelu aerodynamicznym wymagają kosztownego stanowiska i zaawansowanej aparatury do pomiaru szeregu wielkości pola (prędkość wiatru, obciążenia ciśnieniowe, intensywność turbulencji itd.). Ich główne ograniczenie polega na tym, że takie pomiary uzyskuje się tylko w kilku wybranych punktach przekroju badawczego, co znacznie ogranicza całościowe zrozumienie procesów zmiennych i przejściowych w złożonych zjawiskach niestacjonarnych (takich jak odrywanie wirów, ślady turbulentne i uwarstwienie termiczne).

Badanie wentylacji naturalnej w tunelu aerodynamicznym

Symulacja CFD: rozwój w stronę zestawu narzędzi

CFD daje wiele korzyści w zagadnieniach wentylacji w porównaniu z badaniami w tunelu aerodynamicznym. Poza tym, że pozwala prowadzić symulacje w skali rzeczywistej (a nie modele w skali zmniejszonej, jak w wielu badaniach fizycznych), dostarcza również danych dodatkowych i pozwala porównywać dla danego wiatru prędkości w dwóch punktach jednocześnie. Można prowadzić analizy hydrologiczne, przepływowe i cieplne w różnych skalach: od mikroelektroniki po analizy budynków i miast. Wyniki można przedstawić bardziej przejrzyście i wyjaśnić szerokiemu odbiorcy.

Symulacja CFD: bardzo szeroki wachlarz zastosowań

Metody te pozwalają rozwiązać bardzo szeroki zakres zagadnień, które przedstawiamy poniżej.

Co daje zastosowanie symulacji CFD?

Dzięki symulacji CFD projektowanie procesu lub produktu można ulepszyć bez budowy prototypów (kosztownych w czasie i w pieniądzach) ; można uniknąć złych decyzji; uzyskuje się lepszą znajomość procesu lub produktu, dzięki której można szybciej prowadzić prace projektowe (wybór najlepszych rozwiązań), a także rozwiązywać problemy pojawiające się w instalacjach lub procesach już eksploatowanych.

Jeśli tylko można sformułować ramy problemu fizycznego, można go zbadać w symulacji numerycznej CFD.

Jak przebiega projekt symulacji CFD?

Ile czasu przewidzieć na projekt CFD?

Ogólnie projekt symulacji przepływu obejmuje wstępne rozpoznanie procesu lub zjawiska do analizy, zbudowanie szczegółowego modelu geometrycznego, wybór (i w razie potrzeby wdrożenie) odpowiednich modeli matematycznych, zastosowanie danych eksploatacyjnych jako warunkach brzegowych, obliczenia numeryczne (od kilku minut do kilku dni, w zależności od złożoności obliczeń) oraz analizę wyników.

Dlatego mimo że w ostatnich latach powstały programy upraszczające jej stosowanie, poprawne przeprowadzenie projektu CFD wymaga doświadczenia i znacznych nakładów zasobów.

Zdefiniowanie zagadnienia analizy

Przed rozpoczęciem analizy projektowej musimy zadać kilka ważnych pytań. Są one kluczowe dla ustalenia geometrii, od której zaczniemy analizy, elementów projektu, na których się skupimy, oraz parametrów do obserwacji po zakończeniu analizy.

Po uzyskaniu tych odpowiedzi, które pozwalają lepiej zrozumieć stawkę projektu, opisujemy tu proces modelowaniu CFD wspólny dla wszystkich rodzajów projektów.

Przygotowanie modelu 3D

Jak powstaje model 3D do analizy CFD?

Skuteczna symulacja zaczyna się od dobrych technik modelowania, zarówno w zakresie spójności modelu, jak i właściwego utworzenia obszarów przepływu płynu oraz optymalizacji siatki. Pierwszym krokiem jest przygotowanie modelu do analizy przepływu płynu. Oznacza to odwzorowanie geometrii, w której zachodzi przepływ, i optymalizację modelu pod symulację.

Optymalizacja modelu pod symulację

Przygotowanie modelu 3D CFD do optymalizacji siatki

Aby analizować ruch płynu w rozwiązaniu, musi istnieć model obszaru przepływu. Większość modeli 3D nie zawiera go domyślnie: trzeba go wtedy utworzyć w programach uzupełniających pierwotny model 3D. Ponadto należy również przygotować model do optymalizacji siatki w strefach o wysokim znaczeniu. Dodajemy więc bryły 3D — niewidoczne w wizualizacjach i w analizach CFD — których zadaniem jest umożliwić precyzyjne zagęszczenie siatki w strefach przepływu, które chcemy uchwycić.

Czym jest siatka obliczeniowa? (i dlaczego jest ważna?)

Wygenerowanie siatki (3D) to ważny etap analizy CFD, ze względu na jej wpływ na obliczone rozwiązanie. Siatka bardzo dobrej jakości jest niezbędna do uzyskania wyniku dokładnego, stabilnego i miarodajnego.

Obliczenia metodą elementów skończonych

Przed uruchomieniem symulacji CFD geometria jest dzielona na małe fragmenty zwane elementami. Wierzchołek każdego elementu to węzeł. Obliczenia wykonuje się w węzłach. Te elementy i węzły tworzą siatkę.

W modelach trójwymiarowych większość elementów to czworościany: element o czterech ścianach trójkątnych. W modelach dwuwymiarowych większość elementów to trójkąty.

Struktura siatki

Wyróżnia się siatkę strukturalną i niestrukturalną, ortogonalną lub swobodną. W siatce strukturalnej w 3D obliczenia biegną szybciej, ponieważ nie wymagają zestawienia macierzy połączeń. W siatce niestrukturalnej jest inaczej. Jej zaletą jest możliwość dyskretyzacji dowolnych geometrii; z drugiej strony utworzenie i przechowywanie macierzy może znacznie spowolnić obliczenia. Ten typ siatki stosuje się do geometrii złożonych zawierających krzywizny lub bardzo wiele elementów.

Objętości ciał stałych wymagają niewielu elementów, w przeciwieństwie do objętości płynu, które wymagają precyzyjnego zagęszczenia, ponieważ nie mogą odbiegać od geometrii prostopadłościennej; przy silnie zdeformowanych kątach elementów pojawia się ryzyko braku zbieżności obliczeń.

Gęstość siatki

W kwestii gęstości siatki należy znaleźć kompromis między kosztem czasu obliczeń a oczekiwaną dokładnością. Nie ma sensu zagęszczać siatki — a więc zwiększać liczby iteracji — jeśli dokładność jest wystarczająca przy ograniczonej liczbie elementów.

Zasada adaptacji siatki

Jakość siatki ma poważny wpływ na zbieżność, dokładność rozwiązania i przede wszystkim na czas obliczeń. Dobra jakość siatki opiera się na minimalizacji elementów o dużych « zniekształceniach » oraz na dobrej « rozdzielczości » w obszarach dużych gradientów (szczeliny, warstwy przyścienne, recyrkulacje…).

Siatkę dostosowuje się tak, by była najgęstsza w krytycznych strefach analizy. Pozwala to uwzględnić zjawiska makroskopowe (kubatura budynku) kanalizujące strugi prądu efektem Venturiego, a jednocześnie prawidłowo uchwycić zjawiska przepływowe mniejszej skali (nawiew powietrza).

Jak definiuje się warunki brzegowe w CFD?

Warunki początkowe

Warunki początkowe opisują cechy przepływu — prędkość i położenie swobodnej powierzchni — w chwili rozpoczęcia symulacji. Jeśli obliczenia startują od wartości losowych, symulacja szybko może stracić zbieżność. Aby nie odbiegać od wyników realistycznych i skrócić czas obliczeń, warunki początkowe analizuje się i wybiera przed rozpoczęciem analizy CFD.

Warunki brzegowe

Dobór warunków brzegowych jest rozstrzygający w modelowaniu; można je podsumować jako założenia symulacji. To etap najbardziej decydujący o powodzeniu analizy: ustalenie warunków brzegowych właściwych dla projektu wymaga szczegółowego rozpoznania już na początku zlecenia.

Metoda rozwiązania

Wybór modelu turbulencji

Pojęcie modelu turbulencji jest szczególne w mechanice płynów. Pozwala skatalogować różne struktury współistniejące w przepływie i przypisać im określone znaczenie w tym przepływie.

Badania porównawcze modeli turbulencji przeprowadzone przez Combesa [2000] wskazały model dwóch równań transportu k-ε jako najlepiej dopasowany do przepływów ogólnych. Jest jednym z najczęściej stosowanych, najskuteczniejszych, najprostszych i najszerzej zwalidowanych modeli. k oznacza turbulentną energię kinetyczną, a ε tempo dysypacji tej turbulentnej energii kinetycznej. Naturalnie stosujemy go w większości symulacji cieplno-przepływowych i hydrologicznych, ale do szczególnych zagadnień możemy wybrać inne modele turbulencji.

Metoda obliczeń

Rozwiązanie numeryczne prowadzi się przez linearyzację i dyskretyzację wszystkich równań zachowania, co wymaga podziału obszaru obliczeniowego na skończone objętości (siatkę). Rozwiązanie analizy polega na rozwiązaniu układu nieliniowych równań Naviera-Stokesa na serwerach obliczeniowych dedykowanych CFD.

Wizualizacja wyników

Opracowania graficzne

Przepływ płynu w kubaturze jest zwykle złożony i zawiera wiele recyrkulacji o małej prędkości, co utrudnia przedstawienie go na rzucie. Najistotniejsze zjawiska przedstawiamy na rzutach i przekrojach z bardzo szczegółowym opisem.

Dysponujemy szerokim zestawem sposobów prezentacji (struga prądu, pole wektorowe, izopowierzchnia…), które pozwalają najlepiej odwzorować zidentyfikowane zjawiska przepływowe w raporcie technicznym.

Interpretacja wyników wymaga biegłości w oprogramowaniu CFD, ale przede wszystkim wiedzy z fizyki i znajomości analizowanego obiektu, aby dokładnie wyjaśnić poszczególne zjawiska.

Filmy podsumowujące

Z naszego doświadczenia wynika, że dla najistotniejszych elementów warto przygotować filmy pokazujące dynamicznie kolejne widoki modelu CFD. Raport techniczny może się do nich odwoływać, aby ułatwić jego lekturę — niektóre zjawiska są bowiem trudno zrozumiałe na rzucie.

Zalety i wady symulacji CFD

Te trudności są wyraźnie mniejsze dzięki doświadczeniu inżynierów EOLIOS zdobytemu na wielu projektach. Tego rodzaju analizy warto prowadzić z wykwalifikowanym zespołem.

Ile kosztuje symulacja CFD?

Bądźmy szczerzy: CFD nie jest najtańszym narzędziem inżynierskim (w porównaniu ze standardowym programem CAD lub arkuszem kalkulacyjnym) ze względu na jej złożoność i wymagania (doświadczenie, licencje, zasoby obliczeniowe).

Z drugiej strony wyników, jakie daje tego rodzaju analiza, i ich wkładu w projektowanie lub rozwiązywanie problemów nie da się porównać z efektami prostszych narzędzi.

Skrócenie czasu projektowania, oszczędności na prototypach oraz ulepszenie procesu lub produktu zwykle rekompensują koszt symulacji CFD. Proponujemy zakresy prac dopasowane do każdego budżetu.