Вычислительная гидродинамика (CFD): применение и влияние на промышленность

CFD (Computational Fluid Dynamics) — численное моделирование на базе гидродинамики. Применяется во многих отраслях.

От охлаждения SoC (System on Chip) до сброса секунд у гоночных болидов — CFD остаётся мощным инструментом симуляции и оптимизации.

Рисунок 1. CFD ассоциируется с авиацией и авто, но применяется в электродвигателях, робототехнике, батареях, теплоуправлении. Источник: Siemens

Что такое CFD?

CFD — инструмент численного моделирования на принципах гидродинамики. Использует численные методы и алгоритмы для задач течения жидкостей.

Важно: жидкости — не только жидкости. Газы (воздух) тоже. CFD моделирует течение, химические реакции, фазовые переходы, тепло- и массоперенос в жидкостях, газах и твёрдых телах в системе.

Как работает CFD: основы

Уравнения: уравнение непрерывности (сохранение массы), 2-й закон Ньютона (сохранение импульса), 1-й закон термодинамики (сохранение энергии). Переменные: скорость, давление, абсолютная температура, плотность, теплопроводность, энтальпия, вязкость.

Рисунок 2. Симуляция течения частиц при взаимодействии с твёрдыми телами, другими жидкостями и теплом. Источник: Autodesk

Цель CFD — узнать скорость, давление и температуру в каждой точке режима течения.

Результаты CFD-моделирования

Постобработка даёт наглядные визуализации: линий тока (скорость и направление), карт температуры, трассировок частиц (движение одной частицы).

С ростом вычислительной мощи и графики — 3D-манипуляции, видео, анимации для интерпретации и общения с нетехническими аудиториями.

Самая популярная CFD-модель

FVM (Finite Volume Method) — метод конечных объёмов. Область разбивается на конечные контрольные объёмы вокруг узла в центроиде.

Дифференциальная форма уравнений интегрируется, переменная между центроидами интерполируется. Полученное дискретизированное уравнение выражает закон сохранения для переменной внутри контрольного объёма.

FVM популярен за универсальность и точное соблюдение сохранения (энергия, вещества, импульс, масса) — и для отдельных объёмов, и для всего домена.

Рисунок 3. CFD в теплоуправлении электроники: модульный шасси для миссионно-критичных применений. Источник: ANSYS

Другие методы: FEM (Finite Element Method) — обычно для твёрдых тел, FEA (Finite Element Analysis). FDM (Finite Difference Method) — реже в CFD, популярно в погоде, сейсмологии, спецэффектах кино/ТВ.

Зачем нужен CFD?

Общее: оптимизация, анализ, верификация дизайнов с течением до дорогих прототипов и физических тестов.

Типовые задачи:

• Симуляция батарей
• Охлаждение электродвигателей
• Реология
• Энергоэффективность
• Теплоуправление
• Взаимодействие жидкости и структуры
• Оптимизация формы
• Моделирование турбулентности
• HVAC
• Оптимизация лопаток турбин
• Авиа/аэрокосмический дизайн
• Автомобильный дизайн

Конкретные примеры:

• Теплоуправление эффективных SoC
• Локомоция био-вдохновлённых подводных роботов
• Дизайн манипуляторов мягких роботов
• Инженерия водяных электродвигателей
• Изучение отложений нефти на теплообменных поверхностях
• Теплоуправление бронированного модульного шасси военной связи
• Оптимизация производительности гоночных болидов

CFD + FEA захватывают сложные взаимодействия жидкостей, термодинамики, тепла, электричества, магнетизма и структурного анализа.

Рисунок 4. CFD оптимизирует энергоэффективность дата-центров: расчёт охлаждающего потока для контроля температур. Источник: Autodesk

CFD-софт

Много пакетов: ANSYS Fluent, CFX; PTC Creo Simulation; Siemens Simcenter STAR-CCM+; Flotherm; Autodesk CFD.

Есть бесплатные: OpenFOAM (Linux, macOS, Windows 10). Браузерные: SimScale (на OpenFOAM). Пост-процессинг: Ceetron Desktop Components — оживляет данные CFD.

При грамотном применении CFD раскрывает поведение жидкостей и взаимодействие с твёрдыми телами, теплом, фазовыми переходами, реакциями. От топливных форсунок реактивных двигателей и кузовов гоночных болидов до софт-роботики и охлаждения дата-центров — CFD бесценен на каждом этапе инженерии.