Анализ на динамиката на флуидите чрез метода на крайните елементи (Computational Fluid Dynamics - CFD)

 Изчислителни методи и симулации на потока на течности и газове като ефективна алтернатива или допълнение към скъпи и сложни тестове в развойната дейност

При проектиране и оптимизиране на нови или съществуващи процеси и системи често взаимодействията между потока, силите и структурата играят важна роля. За да бъдат разбрани по-добре тези процеси и за да се извлекат важни поуки за проектирането и оптимизирането на компоненти и системи, OpenSource Academy предлага обучения в сферата на динамиката на флуиди и газове и термодинамиката (Computational Fluid Dynamics (CFD). Това дава възможност да разиграете различни тестови случаи, геометрични модификации и параметри на флуида на стандартни компютри, което, следователно, води до намаляване на времето за проектиране и до значително намаляване на разходите. В идеалния случай, една скъпа прототипна серия и скъпоструващи лабораторни тестове могат да бъдат пропуснати. CFD се превъръща в третия незаменим елемент за връзката между теория и експеримент в научноизследователската и развойна производствена дейност.

CFD симулациите могат да бъдат алтернатива на експериментални и математически методи, а понякога и единствената съществуващ аналитичен подход, когато конвенционалните измервания са трудни или невъзможни за изпълние поради екстремни температури, високо налягане, агресивни среди, или други опасности за изследващия персонал или тестовата площадка.

Как е възможно да се симулират процесите в течности и газове?

CFD в правилните ръце - мощен инструмент за проектиране

Движението и топлообменът на течности и газове е труден за разбиране и представяне процес, тъй като понякога дори и малки действащи сили могат да доведат до значителни изменения на формата на флуидния поток. Принципите на тези процеси могат да се обяснят с уравнения базирани на Нютоновите закони. Подходът при този математичен модел изисква много интензивни изчисления и компютърни ресурси и не е ефективен в практическа насока. Затова за индустриални приложения, е необходимо течността да се приеме за непрекъсната среда, каято се описва от уравненията за движение на Навие-Стокс от 19 век. Те се основават на класическите закони за запазване на масата, импулса и енергията и определят изцяло свойствата на даден флуид, но до сега няма аналитично решение. Поради това изчисленията са зависими от използването на компютърни методи, при които уравненията на движение се превръщат в математически операции от системи линейни уравнения, които могат да бъдат решени итеративно в отделни точки в пространството на потока, а сумата от резултатите на тези точки описва своиствата на целия поток.

Типична последователност на енда CFD симулаця

По време на симулация на потока, реално съществуващ процес на потока е изобразен с цифров модел, възможен за изчисляване с помощта на компютър. Ходът на събитията е описан подробно по-долу: 

Подготовка на геометричния модел

В началото на всяка симулация на флуидно течение, геометричния файл с формата на флуидния обем, както и пространството запълнено с работен флуид се създава посредством CAD софтуер. Що се отнася до процеси за пренос на топлина, ограничаващите стени и прилежащите на флуидния поток компоненти допълнително трябва да се разглеждат като плътни обеми. Въпреки това, независимо от вида на симулацията, нивото на детайлност на геометрията се определя по преценка на инженера, като да се вземат под внимание само компонентите, свързани с флуидния поток, имащи потенциално въздействие върху областта на течението. Трябва да се вземе в предвид, че това опростяване трябва да се разглежда като първо приближение към оригинала. В някой случаи това опростяване е нежелано и трябва да се запазят и малките детайли от геометрията. Само си представете потокът през отделението на двигателя. Охлаждащият въздух пробива своя път през лабиринт от тръби, кабели и други елементи на конструкцията. Следователно, отчитането на всички тези фактори е от съществено значение за правилното определяне на загубите на налягане в обема на течението в двигателното отделение, а по този начин и за избора на подходящ вентилатор. В OpenSource Academy ние се стараем да коригираме геометрията възможно най-малко, за да се постигне по-висока степен на детайлност и точност на симулацията

Дискретизация

Численото определяне на параметрите на флуидния поток се извършва в отделни точки на изчислителния обем. За тази цел се генерира триизмерна мрежа, която разделя изчислителния обем, като се избягва припокриването на много клетки или контролни обеми. Всеки контролен обем е свързан с възел, за които се съхраняват изчислените величини, като скорост, температура и плътност. Разпределението на възлови точки в пространството и по краищата на изчислителния обем има решаващо влияние върху точността на численото решение. Опитът показва, че генерирането на висококачествена крайноелементна мрежа отнема голямата част от времето на проекта, като заедно с това изисква опит от страна на потребителя. Методът за генериране на мрежа използва итеративен подход, който повишава резолюцията на мрежата на конкретното място според условията в потока и геометрията, като в същото време се гарантира разумно ниво на резолюция в близост до стените и граничните температурни слоеве, които са много важни за прогнозиране на пренос на топлина. Този, базиран на физиката подход дава възможност за ускоряване на процеса на симулация и получаване на ясни и надеждни резултати. Симулацията позволява да се реагира бързо и гъвкаво с краткосрочни вариантни и промени в конструкцията.

Предварителна обработка (Pre-Processing)

Преди да се стартира една симулация, сложният физичен модел на течението трябва да бъде подготвен за по-късно използване. В зависимост от очакваните условия на течението, се взима решение за нестационарен или стационарен анализ. Течностите се приемат за несвиваеми с известно приближение. При газовете ефектите от свиваемост следва да се отчитат при стойности на числото на Мах по-големи от 0,3. Ако числото на Мах е достатъчно голямо, инерционните сили в потока са преобладаващи и вътрешното триене може да се пренебрегне, което опростява модела на течението. При достигане на критично число на Рейнолдс потокът губи своя слоест характер и променя своето състояние от ламинарно в турбулентно. Картината на турбулентните ефекти след това се разглежда в рамките на моделите на статистическата турбуленция, използвани като допълнителни уравнения на движение. Допълнителни ефекти като радиация или горене могат да бъдат симулирани чрез интегриране на допълнителни физически модели или начални условия. След дефиниране на постоянните и променливи характеристики на материалите, числения модел на симулацията е финализиран.

Резултатите от уравненията не може да се решат без допълнителни параметри, тъй като актуалните данни все още ще доведат до безкраен брой възможни решения. За да се стигне до добре дефиниран проблем и до ясно решение в края, трябва добре да бъдат определени началните условия. Качеството на симулацията зависи от тази съществена стъпка, тъй като дори и малки вариации на граничните условия произвеждат големи промени в резултатите и по този начин могат да доведат до неверни заключения. Ние предлагаме на нашите клиенти нашия опит и богата експертиза в областта, така че те могат да оценят и да са в състояние да се възползват от изчислителната симулация в пълния й капацитет.

Резултати и тяхното представяне (Post-Processing)

Резултатът на CFD симулацията е огромна база данни; от която се извлича цялата информация, от която се нуждаете и можете систематично да анализирате. В зависимост от вида на направеното изчисление резултатите, ще бъдат получени в графики и изобажения за изучаване в 1D/2D/3D форма (пространствени криви, разрези на равнини, повърхнини, обеми), както следва:

• Динамични изображения
• Траектория на частици (токови линии)
• Векторни изображения (сили, скорости и т.н.)
• Контурни изображения за скаларни величини(налягане, плътност, температура, концентрация, и т.н.)
• Времево променливи анимации

Приложение

Термофлуидният анализ намира щироко приложение в практически всяка индустрия обвързана с работата на течности и газове. Ето няколко примера, като това не е далеч пълният списък.

Самолетостроене

Автомобилостроене

Строителна и аграрна техника

Енергетика

Електромобилност

Архитектура и строителство