13 ключевых применений CFD-симуляции и моделирования

Вычислительная гидродинамика (CFD) — это наука, которая использует структуры данных для решения проблем потока жидкости, таких как скорость, плотность и химический состав.

Эта технология используется в таких областях, как предотвращение кавитации, аэрокосмическая техника, проектирование систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, производство электроники и т. д.

Ниже приведен список наиболее распространенных приложений для моделирования CFD, используемых сегодня.

1. Моделирование CFD для предотвращения кавитации

Кавитация — это образование пузырьков пара внутри жидкости, возникающее, когда объект (например, пропеллер) движется через жидкость. Кавитация может привести к повреждению гребных винтов, форсунок, турбин, водосбросов и клапанов.

Кавитация — это серьезная проблема гидродинамики, затрагивающая широкий спектр инженерных областей.

Самая большая проблема?

Очень сложно обнаружить повреждение компонента, вызванное кавитацией, во время испытаний на физическую нагрузку, потому что повреждение происходит постепенно и не проявляет явных последствий, пока не достигнет критического порога.

Например, одним из способов измерения кавитационного повреждения гребного винта является использование приборов для измерения вибрации и шума. Но большинство инструментов недостаточно чувствительны, чтобы точно измерить этот тип повреждения.

Однако моделирование кавитации с помощью CFD может помочь инженерам установить крошечные пороговые значения, которые было бы трудно измерить в физическом мире. Они могут измерять на очень детальном уровне, чтобы сравнивать альтернативные продукты и конструкции для повышения гибкости, долговечности и безопасности своих проектов.

2. Моделирование вращающихся механизмов с помощью CFD

Вращающееся оборудование, такое как компрессоры, паровые насосы, газовые турбины и турбодетандеры, имеет одну общую черту:циклическая нагрузка, действующая на конструкцию.

Лабиринтные уплотнения используются в различных типах вращающихся механизмов для уменьшения потока утечек. Газ, проходящий через уплотнения, часто создает движущую силу, которая приводит к нестабильной вибрации ротора.

Здесь важно уметь определять динамическую силу ротора, создающую нестабильность.

Опять же, вместо того, чтобы вкладывать средства в постоянное создание прототипов и испытания на физическую нагрузку, CFD-моделирование можно использовать для проверки различных проектных переменных, чтобы найти наиболее идеальную конструкцию вращающегося оборудования.

3. CFD-моделирование ламинарного и турбулентного течения

Турбулентность — это внезапное сильное движение воздуха, воды или других жидкостей. Это одно из самых катастрофических и непредсказуемых явлений погоды, с которыми сталкиваются пилоты. На самом деле, сильная турбулентность может лишить пилотов авиакомпаний возможности управлять своими самолетами и даже привести к серьезным травмам пассажиров.

Моделирование CFD использует модели турбулентности для прогнозирования влияния турбулентности на проект, созданный с помощью САПР.

Одной из наиболее распространенных моделей для моделирования турбулентности является Generalized k-omega (GEKO) в ANSYS. GEKO помогает адаптировать модели турбулентности к широкому спектру приложений, позволяя пользователям настраивать отдельные параметры моделирования, сохраняя при этом калибровку модели

4. Отопление, кондиционирование и вентиляция (HVAC) Применение CFD моделирования

Несмотря на то, что системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, которые закачивают и кондиционируют воздух в наших домах и офисах, упускают из виду в нашей повседневной жизни, они требуют тщательного проектирования и планирования.

Чтобы эффективно кондиционировать воздух в помещении, поддерживать поток воздуха в помещении и обеспечивать высокое качество воздуха в помещении (IAQ), продукты HVAC должны использовать физику гидродинамики.

Создание диффузоров HVAC, блоков обработки воздуха и FTU обычно требует тщательных испытаний, чтобы убедиться, что они могут эффективно циркулировать и кондиционировать воздух, а также соответствовать стандартам качества воздуха в помещении.

Таким образом, многие производители оборудования HVAC обратились к CFD-моделированию, чтобы ускорить создание прототипов и проверку новых конструкций. CFD-моделирование позволяет инженерам анализировать потенциальные характеристики своих продуктов в разных пространствах и в разных конфигурациях.

5. Моделирование батареи с помощью CFD

На первый взгляд, процесс проектирования аккумуляторов, похоже, имеет мало общего с подобными разработками в аэрокосмической отрасли и системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, где поток воздуха играет жизненно важную (и очевидную) роль в основной функции продукта.

Но проектирование аккумуляторов — это междисциплинарный процесс, который требует нескольких инженерных методов, включая химическую, электрическую, тепловую и гидродинамическую инженерию. Таким образом, CFD-моделирование может сыграть важную роль в оптимизации производительности и безопасности аккумуляторов (при этом затрачивая меньше времени и ресурсов на физические испытания).

Программное обеспечение CFD, такое как Simulia, может помочь производителям аккумуляторов визуализировать с помощью 3D и решить проблемы, связанные с быстрой разрядкой, чрезмерным нагревом окружающей среды и перезарядкой, которые влияют не только на срок службы аккумулятора, но и на безопасность потребителей.

6. Моделирование аэродинамики с помощью CFD

Аэродинамика – это изучение того, как воздух обтекает объекты (например, самолеты или автомобили).

Это, пожалуй, самое известное применение CFD, поскольку конструкторы автомобилей, аэрокосмические инженеры и производители спортивного оборудования используют программное обеспечение для моделирования, чтобы уменьшить сопротивление и трение воздуха при одновременном повышении эффективности своих продуктов.

Помимо возможности проектировать аэродинамические продукты, не вкладывая средств в множество физических прототипов, моделирование позволяет инженерам тестировать очень небольшие изменения в своей конструкции, чтобы максимизировать производительность — десятки или сотни раз, прежде чем они будут запущены в производство.

7. Теплопередача и тепловое моделирование в CFD

Теплопередача и тепловое управление — это дисциплина измерения того, как тепло проходит через конструкции из твердого тела и жидкости (например, трубы, по которым проходит горячая жидкость), и как оптимизировать конструкции с использованием принципов теплопроводности, конвекции или излучения.

Управление температурным режимом жизненно важно для обеспечения структурной целостности и безопасности любых конструкций, требующих умеренного тепла или холода. Его также можно использовать для оптимизации производительности и эффективности конструкций, использующих тепло или горение для получения энергии.

Большинство профессиональных программных пакетов САПР (например, SolidWorks) имеют встроенную поддержку моделирования моделей теплопередачи.

CFD-моделирование используется для оптимизации теплопередачи во всем, от конструкции автомобильного двигателя до конструкции кофемашины. Это также жизненно важно для множества других типов моделирования, упомянутых в этом списке (например, HVAC), где теплопередача является неотъемлемым компонентом основной функции продукта.

8. Моделирование труб и клапанов с помощью CFD

Поток жидкости может оказывать огромное давление на трубы и клапаны — и может привести к критической деформации и отказу, если это не будет должным образом учтено.

Таким образом, нефтеперерабатывающие заводы, трубопроводы природного газа и бытовая сантехника должны быть оптимизированы для потока жидкости, чтобы обеспечить безопасность и предотвратить долгосрочное повреждение дорогостоящего оборудования.

До появления CFD-моделирования такого рода оптимизация требовала проб и ошибок. Системы трубопроводов были построены на основе наилучших оценок и уточнялись или пересматривались после выхода из строя.

С помощью CFD-моделирования инженеры могут моделировать работу всей системы трубопроводов или изолировать отдельный компонент (например, клапан), чтобы снизить вероятность отказа. CFD-моделирование также можно использовать для исследования отказов устаревшей инфраструктуры постфактум, что дает инженерам более точную картину того, что произошло.

9. Моделирование охлаждения электроники с помощью CFD

Вся электроника, используемая сегодня, требует определенного управления теплом (будь то радиаторы, вентиляционные отверстия, вентиляторы, тепловые компоненты или их комбинация). Это связано с тем, что чипы, такие как графические процессоры и процессоры, начинают работать со сбоями при перегреве. Эти компоненты должны храниться относительно прохладными для поддержания производительности (обычно ниже 85 °C).

Без тщательного моделирования или тестирования производители электроники часто выпускали на рынок продукты (например, телефоны, игрушки, компьютерные чипы и т. д.), которые выходили из строя из-за перегрева.

Моделирование CFD можно использовать для тестирования и организации наиболее идеального размещения компонентов (радиатора, вентилятора и т. д.), чтобы гарантировать, что чувствительные микросхемы не перегреваются.

10. CFD-моделирование турбомашин

Турбомашины — это концепция машиностроения, описывающая машины, передающие энергию от ротора жидкости (например, компрессор или турбина).

Авиационные реактивные двигатели являются распространенным примером турбомашин, поскольку они представляют собой газовые турбины, создающие тягу за счет выхлопных газов.

Программное обеспечение CFD широко используется при проектировании и оптимизации турбомашин, от предварительной обработки, моделирования, построения сетки до постобработки.

11. CFD-моделирование материалов с высокой реологией

Материалы с высокой реологией представляют собой твердые тела, которые могут вести себя как жидкости при воздействии на них сил и напряжений. Примеры таких материалов включают:

• Пластик
• Полимеры
• Стекло
• Металлы
• Цемент

Используя такие методы, как выдувное формование, термоформование и экструзия, производители могут превращать эти твердые вещества в конечный продукт.

Благодаря применению CFD-моделирования производители могут ускорить процессы проектирования реологических материалов при минимальных затратах энергии и сырья. Они могут определить экономию средств за счет изменения формы производственных штампов, сокращения избыточного материала и быстрого создания прототипов реологических конструкций.

12. Моделирование реагирующих потоков и горения с помощью CFD

Протекающие химически активные жидкости (например, в случае двигателя внутреннего сгорания) в моделировании называются «реагирующими потоками».

Эти типы течений представляют собой сложную физическую задачу для инженеров.

Одно дело предсказать поведение реагирующей жидкости в масштабе химического стенда (в миллиметрах), но сделать это на уровне раствора (в кубических литрах) с учетом турбулентности чрезвычайно сложно.

И тем не менее, это важная проблема.

Способность понимать основные химические и физические процессы реагирующих потоков имеет решающее значение для повышения энергоэффективности, топливной гибкости и сокращения выбросов в автомобильной, аэрокосмической и энергетической отраслях.

Это область, в которой превосходно работает CFD-моделирование. Он может справляться со сложными мультифизическими задачами, такими как реагирующие потоки, — давая производителям представление об их продуктах, которое было бы почти невозможно рассчитать вручную — без дорогостоящих физических испытаний.

13. Несжимаемый и сжимаемый поток с помощью CFD моделирования

(Источник:SimScale)

Сжимаемый поток относится к потоку жидкости, плотность которого непостоянна.

Другими словами, жидкость, такая как кислород, плотность которой может сжиматься или уменьшаться при изменении давления, имеет сжимаемый поток.

Несжимаемый поток относится к жидкости, плотность которой изменяется незначительно независимо от давления.

Вода, текущая по трубе, имеет несжимаемый поток, потому что давление будет иметь бесконечно малое влияние на ее плотность.

Оба типа потока создают уникальные проблемы для производителей и инженеров. Например, инженеры, работающие над аэродинамикой, должны учитывать в своем анализе сжимаемость кислорода (с объектами, движущимися с разной скоростью). И наоборот, отрасли, работающие с несжимаемыми жидкостями, должны учитывать в своих расчетах бурные, мощные и хаотические турбулентные потоки.

А в случае с аэрокосмической промышленностью, где оба типа расчетов могут потребоваться в одном анализе, тестирование и планирование могут стать невероятно сложными.

Вот почему CFD-моделирование является абсолютной необходимостью для многих современных производителей. Программное обеспечение, такое как SimScale, позволяет инженерам анализировать несжимаемые и сжимаемые потоки в одном моделировании, назначая уникальные свойства различным жидкостям.

Заключительные мысли

До появления моделирования многие мировые практические физические проблемы решались с помощью дорогостоящих (и трудоемких) физических испытаний. Компании, продукция которых не подвергалась тщательному тестированию, в долгосрочной перспективе платили значительно больше за отказы и отзывы продукции (и за ущерб репутации).

Но с появлением имитационного моделирования инженеры и конструкторы во всех отраслях получили доступ к недорогому способу тестирования своей продукции практически в любых условиях.

Вычислительная гидродинамика, в частности, позволяет инженерам тестировать и улучшать конструкции продуктов, в которых поток жидкости, турбулентность и теплопередача являются жизненно важными расчетами.

Но тестирование — это только часть уравнения.

Возможность быстро и эффективно обновлять проекты САПР для устранения проблем, отмеченных CFD-анализом, по-прежнему является проблемой для проектировщиков, поскольку часто требуется много ручной доработки.

Чтобы обеспечить широкомасштабное внедрение моделирования в различных отраслях, приложения для моделирования должны стать проще в использовании.

Если вы дизайнер или инженер, работающий с САПР и моделированием, вы хорошо знакомы с объемом работы, необходимой для перепроектирования продуктов на основе результатов моделирования. Большинство программ CFD не будут обновлять вашу модель CAD. Вместо этого они дают вам «векторное поле», показывающее необходимую деформацию для оптимизации вашей модели. Затем дизайнер несет ответственность за ручное изменение дизайна.

Этот ручной процесс редизайна можно автоматизировать с помощью набора инструментов Spatial BRep morphing. Учитывая векторное поле деформации (набор точек до и после), этот набор инструментов позволяет автоматически трансформировать любую геометрию BRep. Таким образом, инженеры могут легко использовать результаты моделирования в своих проектах.