13 основных применений CFD: повышение производительности в авиакосмике, HVAC и электронике

Вычислительная гидродинамика (CFD) — наука, использующая структуры данных для решения проблем потока жидкостей — скорости, плотности, химических составов.

Эта технология используется в областях вроде предотвращения кавитации, авиакосмической инженерии, HVAC-инженерии, производства электроники и многом другом.

Ниже список самых распространенных приложений CFD-симуляции сегодня.

1. CFD-симуляция для предотвращения кавитации

Кавитация — образование паровых пузырей в жидкости, происходящее, когда объект (например, пропеллер) движется сквозь жидкость. Кавитация может повреждать пропеллеры, форсунки, турбины, сбросы и клапаны.

Кавитация — критическая проблема гидродинамики, влияющая на широкий спектр инженерных доменов.

Главная проблема?

Очень трудно обнаружить повреждение от кавитации компонента во время физического стресс-тестирования — потому что повреждение постепенное и не показывает явных эффектов, пока не достигнет критического порога.

Например, один способ измерения повреждения кавитации пропеллера — использование инструментов для измерения вибраций и шума. Но большинство инструментов недостаточно чувствительны для точного измерения такого повреждения.

CFD-симуляция кавитации, однако, может помочь инженерам устанавливать крошечные пороги, которые трудно измерить в физическом мире. Они могут измерять на очень гранулярном уровне для сравнения альтернативных продуктов и дизайнов для улучшения гибкости, долговечности и безопасности проектов.

2. Симуляция вращающихся машин с CFD

Вращающиеся машины — компрессоры, паровые насосы, газовые турбины, турбоэкспандеры — имеют одно общее: циклическую нагрузку, действующую на структуру.

Лабиринтные уплотнения используются в различных типах вращающихся машин для снижения утеточного потока. Газ, проходящий через уплотнения, часто создает движущую силу, ведущую к нестабильной роторной вибрации.

Что здесь важно — способность определить динамическую роторную силу, создающую нестабильность.

И снова, вместо вложений в постоянное прототипирование и физическое стресс-тестирование, CFD-симуляция может использоваться для тестирования множества дизайн-переменных для нахождения наиболее идеальной конструкции вращающихся машин.

3. CFD-симуляция ламинарного и турбулентного потока

Турбулентность — внезапное 격렬한 движение воздуха, воды или других жидкостей. Одно из самых катастрофических и непредсказуемых погодных феноменов для пилотов. Фактически, экстремальная турбулентность может сделать невозможным для пилотов авиалиний управлять самолетами и даже вызвать серьезные травмы пассажиров.

CFD-симуляции используют модели турбулентности для предсказания эффекта турбулентности на CAD-инженерный дизайн.

Одна из самых распространенных моделей для симуляции турбулентности — Generalized k-omega (GEKO) в ANSYS. GEKO помогает адаптировать модели турбулентности к широкому спектру применений, позволяя пользователям регулировать индивидуальные параметры симуляции при сохранении калибровки модели.

4. Применения CFD-симуляции в отоплении, вентиляции и кондиционировании (HVAC)

Несмотря на то, что HVAC-системы, закачивающие и кондиционирующие воздух в наши дома и офисы, — упускаемый из виду элемент повседневной жизни, они требуют интенсивной инженерии и планирования.

Для эффективного кондиционирования воздуха пространства, поддержания потока воздуха через комнату и обеспечения высокого качества воздуха в помещении (IAQ), HVAC-продукты должны использовать физику гидродинамики.

Создание HVAC-диффузоров, воздушно-обрабатывающих блоков и FTU обычно требует жесткого тестирования для обеспечения эффективной циркуляции и кондиционирования воздуха и соответствия стандартам IAQ.

Как таковые, многие производители HVAC-оборудования обратились к CFD-симуляции для ускорения прототипирования и валидации новых дизайнов. CFD-симуляция позволяет инженерам анализировать потенциальную производительность их продуктов в разных пространствах и конфигурациях.

5. Симуляция батарей с CFD

На первый взгляд, процесс дизайна батарей кажется имеющим мало общего с авиакосмикой и HVAC дизайном — где поток воздуха играет жиويтельную (и очевидную) роль в основной функции продукта.

Но дизайн батарей — мультидисциплинарный процесс, требующий нескольких инженерных практик — включая химическую, электрическую, тепловую и гидродинамическую инженерию. И как таковой, CFD-симуляция может играть важную роль в оптимизации производительности и безопасности батарей (используя меньше времени и ресурсов на физическое тестирование).

CFD-ПО вроде Simulia может помочь производителям батарей визуализировать в 3D и решать проблемы, связанные с быстрым разрядом, чрезмерным окружающим нагревом и перезарядкой — что не только влияет на жизнь батареи, но и на безопасность потребителей.

6. Симуляция аэродинамики с CFD

Аэродинамика — изучение того, как воздух течет вокруг объектов (самолеты или автомобили).

Это, возможно, самое известное применение CFD — автодизайнеры, авиакосмические инженеры и производители спортивного оборудования все используют симуляционное ПО для снижения лобового сопротивления и трения воздуха при улучшении эффективности продуктов.

Помимо способности проектировать аэродинамические продукты без вложений во множество физических прототипов, симуляция делает возможным для инженеров тестировать очень малые изменения дизайна для максимизации производительности — десятки или сотни раз перед выходом в производство.

7. Симуляция теплопередачи и термomenеджмента в CFD

Теплопередача и термomenеджмент — дисциплина измерения того, как тепло движется через твердо-жидкостные дизайны (трубы, переносящие горячую жидкость) — и как оптимизировать дизайны с принципами теплопроводности, конвекции или излучения.

Термomenеджмент жизненно важен для обеспечения структурной целостности и безопасности любых дизайнов, требующих умеренного тепла или холода. Это также можно использовать для оптимизации производительности и эффективности дизайнов, использующих тепло или горение для мощности.

Большинство профессиональных CAD-пакетов (вроде SolidWorks) имеют нативную поддержку для симуляции моделей теплопередачи.

CFD-симуляция используется для оптимизации теплопередачи во всем: от дизайнов автомобильных двигателей до дизайнов кофемашин. Это также критично для безчисленных других типов симуляции в этом списке (вроде HVAC) — где теплопередача — интегральный компонент основной функции продукта.

8. Симуляция труб и клапанов с CFD

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

Как таковые, нефтеперерабатывающие заводы, трубопроводы природного газа и жиловая сантехника все должны быть оптимизированы для потока жидкости для достижения безопасности и предотвращения долгосрочного ущерба дорогому оборудованию.

До подъема CFD-симуляции, такой вид оптимизации требовал проб и ошибок. Системы трубопроводов строились с оценками наилучшего предположения и уточнялись или пересматривались после отказа.

С CFD-симуляцией инженеры могут моделировать производительность целой системы труб или изолировать отдельный компонент (как клапан) для снижения вероятности отказа. CFD-симуляция также может использоваться для расследования отказа старения инфраструктуры пост-фактум, давая инженерам более точную картину случившегося.

9. Симуляция охлаждения электроники с CFD

Вся электроника в использовании сегодня требует какой-то формы управления теплом (радиаторы, вентиляции, вентиляторы, термические компоненты или комбинация). Это потому, что чипы вроде GPU и CPU начинают функционировать неисправно при перегреве. Эти компоненты должны держаться относительно прохладными для поддержания производительности (обычно под 85°C).

Без обширной симуляции или тестирования производители электроники часто выпускали бы продукты на рынок (телефоны, игрушки, компьютерные чипы и т.д.), которые отказывали из-за перегрева.

CFD-симуляция может использоваться для тестирования и организации наиболее идеального размещения компонентов (радиатор, вентилятор и т.д.) для обеспечения того, что чувствительные чипы не перегреваются.

10. CFD-симуляция турбомашин

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

Реактивные двигатели самолетов — частый пример турбомашин, так как они газовые турбины, производящие тягу из выхлопных газов.

CFD-ПО используется обширно в дизайне и оптимизации турбомашин, от предобработки, моделирования, сетки до постобработки.

11. CFD-симуляция материалов с высокой реологией

Материалы с высокой реологией — твердые вещества, которые могут вести себя как жидкости, когда к ним применяются силы и напряжения. Примеры:

• Пластики
• Полимеры
• Стекло
• Металлы
• Цемент

Используя техники вроде дувного формования, термоформирования и экструзии — производители могут формировать эти твердые вещества в конечный продукт.

Через применение CFD-симуляции производители могут ускорять процессы дизайна реологических материалов, минимизируя энергетические и сырьевые требования. Они могут выявлять экономию затрат путем изменения формы формовальных матриц, снижения излишнего материала и быстрого прототипирования реологических дизайнов.

12. Симуляция реагирующих потоков и горения с CFD

Текущие жидкости, химически реактивные (в случае двигателя внутреннего сгорания, например), называются «реагирующими потоками» в симуляции.

Эти типы потоков представляют сложную физическую проблему для инженеров.

Предсказание поведения реагирующей жидкости на химическом лавочном масштабе (миллиметры) — одно дело — но делать это на уровне решения (кубические литры) с учетом турбулентности — безумно сложно.

И все же, это важная проблема.

Способность понимать базовую химию и физику реагирующих потоков — поворотный пункт в повышении энергоэффективности, гибкости топлива и снижении выбросов в авто, авиакосмике и энергетике.

Это область, где CFD-симуляция преуспевает. Она может обрабатывать сложные мультифизические проблемы вроде реагирующих потоков — давая производителям инсайты о продуктах, которые было бы почти невозможно рассчитать вручную — без дорогих физических тестов.

13. Сжимаемые и несжимаемые потоки с CFD-симуляцией

Сжимаемый поток — поток жидкости, где плотность не постоянна.

Другими словами, жидкость вроде кислорода, чья плотность может сжиматься или декомпрессироваться с изменением давления — имеет сжимаемый поток.

Несжимаемый поток — поток жидкости, чьи изменения плотности пренебрежимо малы независимо от давления.

Вода, текущая через трубу, имеет несжимаемый поток, потому что давление будет иметь инфинитезимальное влияние на ее плотность.

Оба типа потока представляют уникальные вызовы для производителей и инженеров. Инженеры, работающие над аэродинамикой, должны учитывать сжимаемость кислорода (с объектами, движущимися на разных скоростях) в своем анализе. И наоборот, отрасли, работающие с несжимаемыми жидкостями, должны учитывать жестокие, мощные и хаотичные турбулентные потоки в расчетах.

И в случае авиакосмики — где оба типа расчетов могут нуждаться в комбинации в едином анализе — тестирование и планирование могут стать невероятно сложными.

Именно поэтому CFD-симуляция — абсолютная необходимость для многих современных производителей. ПО вроде SimScale позволяет инженерам анализировать несжимаемые и сжимаемые потоки в одной симуляции, назначая уникальные свойства разным жидкостям.

Заключительные мысли

До прихода симуляции многие практические физические проблемы мира решались дорогими (и затратными по времени) физическими тестами. Компании, чьи продукты пропускали жесткое тестирование, платили значительно больше с отказами продуктов и отзывами (и ущербом репутации) в долгосрочной перспективе.

Но с приходом симуляционного моделирования инженеры и дизайнеры по всем отраслям получили доступ к недорогому способу тестирования продуктов практически в любых условиях.

Вычислительная гидродинамика в частности позволяет инженерам тестировать и улучшать дизайны продуктов, где поток жидкости, турбулентность и теплопередача — жизненно важные расчеты.

Но тестирование — только часть уравнения.

Способность быстро и эффективно обновлять CAD-дизайны для исправления проблем, отмеченных CFD-анализом — все еще проблема для дизайнеров — так как часто требует много ручной переработки.

Для обеспечения крупномасштабного принятия симуляции по отраслям, симуляционные приложения должны стать легче в использовании.

Если вы дизайнер или инженер, работающий с CAD и симуляцией, вы близко знакомы с объемом работы, требуемым для перепроектирования продуктов на основе выводов симуляции. Большинство CFD-ПО не обновляет вашу CAD-модель. Вместо этого они дают «векторное поле», показывающее требуемую деформацию для оптимизации модели. Это затем ответственность дизайнера — вручную изменять дизайн.

Этот ручной процесс перепроектирования может быть автоматизирован с использованием набора инструментов BRep морфинга Spatial. Дано векторное поле деформации (набор точек до и после), этот набор инструментов позволяет морфить любую BRep геометрию автоматически. Таким образом, инженеры могут приспосабливать результаты симуляции обратно в свой дизайн легко.