Понимание вычислительной гидродинамики (CFD)

Вычислительная гидродинамика (часто сокращенно CFD) используется в различных отраслях и приложениях.

Вычислительная гидродинамика остается мощным инструментом для моделирования и оптимизации - от разработки эффективных способов поддержания охлаждения SoC (системы на кристалле), достаточного для правильного функционирования, до помощи гоночным автомобилям, сокращающим время на несколько секунд.

Рисунок 1. CFD часто ассоциируется с аэрокосмическим и автомобильным дизайном, но применяется к различным отраслям, включая электродвигатели, робототехнику, аккумуляторы и управление температурным режимом. Изображение предоставлено компанией Siemens

Что такое вычислительная гидродинамика (CFD)?

CFD - это инструмент численного моделирования и моделирования, основанный на принципах гидродинамики. Он использует численные методы и алгоритмы для решения проблем, связанных с потоком жидкостей.

В рамках этого объяснения важно учитывать, что жидкости не ограничиваются жидкостями. К жидкостям также относятся такие газы, как воздух. CFD может моделировать поток жидкости, химические реакции, фазовые переходы, тепломассоперенос, а также жидкости, газы и твердые тела, протекающие через систему.

Как работает вычислительная гидродинамика (CFD):основы

Основными управляющими уравнениями являются уравнение неразрывности (сохранение массы), Второй закон Ньютона (сохранение количества движения) и Первый закон термодинамики (сохранение энергии). Ключевые переменные - скорость, давление и абсолютная температура, а также плотность, теплопроводность, энтальпия и вязкость.

Рисунок 2. Моделирование потока иллюстрирует поток частиц жидкости через систему, когда они взаимодействуют с твердыми телами, другими жидкостями и теплом. Изображение предоставлено Autodesk

Целью моделирования CFD является определение скорости, давления и температуры в каждой точке режима потока.

Результаты моделирования CFD

Результаты моделирования CFD могут быть подвергнуты постобработке для обеспечения информативной визуализации, которая может включать в себя линии тока, представляющие скорость (скорость и направление) потока жидкости, карты, показывающие распределение температуры, и трассировку частиц, которая показывает движение отдельной частицы жидкости (и это лишь некоторые из них). ).

С постоянным увеличением вычислительной мощности и графических возможностей визуализацией можно управлять в 3D и генерировать привлекательные изображения, видео и анимацию, чтобы помочь пользователям интерпретировать данные и делиться ими с нетехнической аудиторией.

Какая модель вычислительной гидродинамики является наиболее широко используемой?

Наиболее широко используемой моделью в CFD является FVM, что означает модель конечного объема. Строго говоря, это метод дискретизации, при котором объем жидкости делится на конечные контрольные объемы. Эти отдельные контрольные объемы сосредоточены вокруг узла, расположенного в центре тяжести объема.

Дифференциальная форма управляющих уравнений модели интегрируется, и интересующая переменная между центроидами получается с использованием профилей интерполяции. Результирующее уравнение, известное как дискретизирующее или дискретизированное уравнение , затем выражает принцип сохранения переменной внутри контрольного объема.

FVM довольно популярен из-за своей универсальности и потому, что решение будет удовлетворять требованиям сохранения таких величин, как энергия, виды, импульс или масса. Сохранение точно выполняется как для отдельных контрольных объемов, так и для всей расчетной области.

Рисунок 3. CFD находит широкое применение в управлении температурой электроники, как в этом примере модульного шасси, используемого для критически важных приложений. Изображение предоставлено ANSYS

Другие методы, которые также могут использоваться с CFD, включают метод конечных элементов (FEM), обычно связанный с механикой твердого тела, и анализ конечных элементов (FEA).

Также существует метод FDM или конечно-разный метод; Этот конкретный метод не так широко используется для CFD, как FVM и FEM, но находит широкое применение в расчетах погоды, сейсмологии и специальных эффектах для фильмов и телевидения.

Для чего используется вычислительная гидродинамика?

В общем смысле CFD оптимизирует, анализирует и проверяет конструкции, включающие поток жидкости, до того, как будут изготовлены дорогие прототипы. На этих прототипах проводятся дорогостоящие физические испытания.

Как правило, CFD можно использовать для:

• Моделирование батареи
• Охлаждение электродвигателя
• Реология
• Энергоэффективность
• Управление температурным режимом
• Взаимодействие жидкости и структуры
• Оптимизация формы
• Моделирование турбулентности
• HVAC
• Оптимизация лопаток турбины
• Самолет / аэрокосмический дизайн
• Автомобильный дизайн

В частности, CFD используется для:

• Оптимизация эффективного управления температурным режимом для SoC
• Развивайте движения для подводных роботов, вдохновленных биологией.
• Проектирование мягких роботов-манипуляторов.
• Проектирование электродвигателей с водяным охлаждением.
• Исследование поверхностей теплопередачи загрязняющих сырой нефтью
• Управление температурой прочного модульного шасси для военной коммуникационной электроники.
• Оптимизация характеристик гоночных автомобилей.

Кроме того, CFD можно использовать с FEA для регистрации сложных взаимодействий между жидкостями, термодинамики, тепла, электричества, магнетизма и структурного анализа.

Рисунок 4. CFD может оптимизировать энергоэффективность центра обработки данных, предоставляя информацию о ключевых характеристиках, таких как поток охлаждающего воздуха, необходимый для поддержания контроля температуры. Изображение предоставлено Autodesk

Программное обеспечение для вычислительной гидродинамики

На рынке представлено большое количество программных пакетов CFD. Например, ANSYS Fluent и CFX - два хорошо известных пакета программного обеспечения CFD. Также существуют PTC Creo Simulation, Siemens Simcenter STAR-CCM +, Flotherm и Autodesk CFD.

Однако не все пакеты CFD являются коммерческими:OpenFOAM - это бесплатный пакет CFD с открытым исходным кодом, который работает в Linux, macOS и Windows 10. Кроме того, существуют системы CFD на основе браузера, такие как SimScale, который, как оказалось, основан на OpenFOAM. Существуют также мощные инструменты постобработки, такие как компоненты Ceetron Desktop, которые оживляют данные решений CFD.

При правильном выполнении он может выявить поведение жидкостей и то, как они взаимодействуют с твердыми телами, теплом, фазовыми изменениями и химическими реакциями. CFD используется во многих различных отраслях, помогая оптимизировать конструкции и экономя время и деньги на создание прототипов и физические испытания. От топливных форсунок в реактивных двигателях и кузовах гоночных автомобилей до мягкой робототехники и систем воздушного охлаждения центров обработки данных - CFD снова и снова доказывает свою бесценность в процессе проектирования.