Computational Fluid Dynamics (CFD) begrijpen

Computational fluid dynamics (vaak afgekort CFD) wordt gebruikt in verschillende industrieën en toepassingen.

Van technische efficiënte manieren om een ​​SoC (System on a Chip) koel genoeg te houden om goed te functioneren tot het helpen van raceauto's om een ​​paar seconden meer tijd te besparen, computationele vloeistofdynamica blijft een krachtig hulpmiddel voor simulatie en optimalisatie.

Figuur 1. CFD wordt vaak geassocieerd met ruimtevaart en auto-ontwerp, maar het is van toepassing op verschillende industrieën, waaronder elektromotoren, robotica, batterijen en thermisch beheer. Afbeelding gebruikt met dank aan Siemens

Wat is Computational Fluid Dynamics (CFD)?

CFD is een numerieke simulatie- en modelleringstool op basis van vloeistofdynamicaprincipes. Het maakt gebruik van numerieke methoden en algoritmen om problemen met de vloeistofstroom op te lossen.

Als onderdeel van deze uitleg is het belangrijk te bedenken dat vloeistoffen niet beperkt zijn tot vloeistoffen. Vloeistoffen omvatten ook gassen zoals lucht. CFD kan vloeistofstroming, chemische reacties, faseveranderingen, warmte- en massaoverdracht en vloeistoffen, gassen en vaste stoffen simuleren terwijl ze door een systeem stromen.

Hoe Computational Fluid Dynamics (CFD) werkt:de basis

De belangrijkste relevante vergelijkingen zijn de continuïteitsvergelijking (behoud van massa), de tweede wet van Newton (behoud van momentum) en de eerste wet van de thermodynamica (behoud van energie). De belangrijkste variabelen zijn snelheid, druk en absolute temperatuur, samen met dichtheid, thermische geleidbaarheid, enthalpie en viscositeit.

Figuur 2. Stroomsimulatie illustreert de stroom van vloeistofdeeltjes door een systeem terwijl ze interageren met vaste stoffen, andere vloeistoffen en warmte. Afbeelding gebruikt met dank aan Autodesk

CFD-simulatie is bedoeld om de snelheid, druk en temperatuur op elk punt binnen het stroomregime te begrijpen.

Resultaten van CFD-modellering

CFD-modelleringsresultaten kunnen nabewerkt worden om informatieve visualisaties te bieden die stroomlijnen kunnen omvatten die de snelheid (snelheid en richting) van vloeistofstroom vertegenwoordigen, kaarten die temperatuurverdelingen tonen en deeltjestracering die de beweging van een enkel vloeistofdeeltje laat zien (om er maar een paar te noemen). ).

Met de voortdurende toename van rekenkracht en grafische mogelijkheden, kunnen visualisaties in 3D worden gemanipuleerd en boeiende afbeeldingen, video's en animaties genereren om gebruikers te helpen de gegevens te interpreteren en te delen met een niet-technisch publiek.

Wat is het meest gebruikte Computational Fluid Dynamics-model?

Het meest gebruikte model in CFD is FVM, wat staat voor Finite Volume Model. Strikt genomen is het een discretisatiemethode waarbij het vloeistofvolume wordt verdeeld in eindige regelvolumes. Deze individuele regelvolumes zijn gecentreerd rond een knooppunt in het zwaartepunt van het volume.

De differentiële vorm van de heersende vergelijkingen van het model is geïntegreerd en de variabele van belang tussen de zwaartepunten wordt verkregen met behulp van interpolatieprofielen. De resulterende vergelijking, bekend als de discretisatie of gediscretiseerde vergelijking , drukt vervolgens het behoudsprincipe uit voor de variabele binnen het regelvolume.

FVM is behoorlijk populair vanwege zijn veelzijdigheid en omdat de oplossing zal voldoen aan het behoud van hoeveelheden zoals energie, soorten, momentum of massa. Conservering is precies voldaan voor zowel individuele controlevolumes als het hele rekendomein.

Figuur 3. CFD vindt uitgebreide toepassing in thermisch beheer van elektronica, zoals in dit voorbeeld van een modulair chassis dat wordt gebruikt voor missiekritieke toepassingen. Afbeelding gebruikt met dank aan ANSYS

Andere methoden die ook met CFD kunnen worden gebruikt, zijn de eindige-elementenmethode (FEM), meestal geassocieerd met vaste mechanica, en eindige-elementenanalyse (FEA).

Er is ook de FDM of Eindig-Andere Methode; deze specifieke methode wordt niet zo veel gebruikt voor CFD als FVM en FEM, maar vindt uitgebreide toepassing in weerberekeningen, seismologie en speciale effecten voor films en televisie.

Waar wordt Computational Fluid Dynamics voor gebruikt?

In algemene zin optimaliseert, analyseert en verifieert CFD ontwerpen met vloeistofstroom voordat dure prototypes worden vervaardigd. Op die prototypes worden kostbare fysieke tests uitgevoerd.

Over het algemeen kan CFD worden gebruikt voor:

• Batterijsimulatie
• Elektrische motorkoeling
• Reologie
• Energie-efficiëntie
• Thermisch beheer
• Vloeistof-structuur interactie
• Vormoptimalisatie
• Turbulentiemodellering
• HVAC
• Turbinebladoptimalisatie
• Vliegtuig- / ruimtevaartontwerp
• Autodesign

Meer specifiek wordt CFD gebruikt om:

• Optimalisatie van effectief thermisch beheer voor SoC's
• Ontwikkel voortbeweging voor bio-geïnspireerde onderwaterrobots
• Ontwerp van zachte robotmanipulatoren
• Engineering van watergekoelde elektromotoren
• Onderzoek van ruwe olie die warmteoverdrachtsoppervlakken vervuilt
• Thermisch beheer van een robuust modulair chassis voor militaire communicatie-elektronica
• Prestatie-optimalisatie van raceauto's

Bovendien kan CFD worden gebruikt met FEA om complexe interacties tussen vloeistoffen, thermodynamica, warmte, elektriciteit, magnetisme en structurele analyse vast te leggen.

Figuur 4. CFD kan de energie-efficiëntie van datacenters optimaliseren door informatie te verstrekken over belangrijke kenmerken, zoals de koelluchtstroom die nodig is om de temperatuur onder controle te houden. Afbeelding gebruikt met dank aan Autodesk

Computational Fluid Dynamics-software

Er is een grote verscheidenheid aan CFD-softwarepakketten op de markt. ANSYS Fluent en CFX zijn bijvoorbeeld twee bekende CFD-softwarepakketten. Er is ook PTC Creo Simulation, Siemens Simcenter STAR-CCM+, Flotherm en Autodesk CFD.

Niet alle CFD-pakketten zijn echter commercieel:OpenFOAM is een gratis, open-source CFD-pakket dat draait op Linux, macOS en Windows 10. Daarnaast zijn er browsergebaseerde CFD-systemen zoals SimScale, dat toevallig gebaseerd is op OpenFOAM. Er zijn ook krachtige tools voor nabewerking, zoals Ceetron Desktop Components, die CFD-oplossingsgegevens tot leven brengen.

Als het correct wordt uitgevoerd, kan het het gedrag van vloeistoffen onthullen en hoe ze interageren met vaste stoffen, warmte, faseveranderingen en chemische reacties. CFD wordt in veel verschillende industrieën gebruikt en helpt bij het optimaliseren van ontwerpen en bespaart tijd en geld voor prototyping en fysieke tests. Van brandstofsproeiers in straalmotoren en carrosserieën van raceauto's tot zachte robotica en luchtkoelsystemen voor datacenters, CFD is keer op keer van onschatbare waarde gebleken tijdens het engineeringproces.