13 belangrijkste toepassingen van CFD-simulatie en -modellering

Computational fluid dynamics (CFD) is een wetenschap die datastructuren gebruikt om problemen met vloeistofstroming op te lossen, zoals snelheid, dichtheid en chemische samenstellingen.

Deze technologie wordt gebruikt op gebieden zoals cavitatiepreventie, ruimtevaarttechniek, HVAC-techniek, elektronicaproductie en nog veel meer.

Hieronder vindt u een lijst met de meest voorkomende CFD-simulatietoepassingen die tegenwoordig worden gebruikt.

1. CFD-simulatie om cavitatie te voorkomen

Cavitatie is de vorming van dampbellen in een vloeistof en treedt op wanneer een object (zoals een propeller) door de vloeistof beweegt. Cavitatie kan schade aan propellers, sproeiers, turbines, overlaten en kleppen veroorzaken.

Cavitatie is een kritisch vloeistofdynamicaprobleem dat gevolgen heeft voor een groot aantal technische domeinen.

Het grootste probleem?

Het is erg moeilijk om door cavitatie veroorzaakte schade aan een onderdeel te detecteren tijdens fysieke stresstests - omdat de schade geleidelijk verloopt en geen duidelijke effecten vertoont totdat een kritieke drempel wordt bereikt.

Een manier om bijvoorbeeld cavitatieschade aan een propeller te meten, is door instrumenten te gebruiken om trillingen en geluid te meten. Maar de meeste instrumenten zijn niet gevoelig genoeg om dit soort schade nauwkeurig te meten.

Cavitatiesimulatie via CFD kan ingenieurs echter helpen kleine drempels in te stellen die in de fysieke wereld moeilijk te meten zijn. Ze kunnen op een zeer gedetailleerd niveau meten om alternatieve producten en ontwerpen te vergelijken om de flexibiliteit, duurzaamheid en veiligheid van hun projecten te verbeteren.

2. Roterende machines simuleren met CFD

Roterende machines zoals compressoren, stoompompen, gasturbines en turbo-expanders hebben één ding gemeen:de cyclische belasting die op de constructie inwerkt.

Labyrintafdichtingen worden gebruikt in verschillende roterende soorten machines om lekstroom te verminderen. Het gas dat door de afdichtingen gaat, creëert vaak een drijvende kracht die leidt tot onstabiele rotortrillingen.

Essentieel hierbij is het kunnen bepalen van de dynamische rotorkracht die voor instabiliteit zorgt.

Nogmaals, in plaats van te investeren in constante prototyping en fysieke stresstests, kan CFD-simulatie worden gebruikt om een ​​verscheidenheid aan ontwerpvariabelen te testen om de meest ideale constructie van roterende machines te vinden.

3. CFD-simulatie voor laminaire en turbulente stroming

Turbulentie is de plotselinge gewelddadige beweging van lucht, water of andere vloeistoffen. Het is een van de meest rampzalige en onvoorspelbare weersverschijnselen waarmee piloten worden geconfronteerd. Extreme turbulentie kan het voor piloten van luchtvaartmaatschappijen zelfs onmogelijk maken om hun vliegtuigen te besturen en kan zelfs passagiers ernstig verwonden.

CFD-simulaties gebruiken turbulentiemodellen om het effect van turbulentie op een CAD-ontwerp te voorspellen.

Een van de meest gebruikte modellen voor het simuleren van turbulentie is gegeneraliseerde k-omega (GEKO) in ANSYS. GEKO helpt bij het afstemmen van turbulentiemodellen op een breed scala aan toepassingen door gebruikers in staat te stellen individuele parameters van de simulatie aan te passen terwijl de modelkalibratie behouden blijft

4. Toepassingen van verwarming, airconditioning en ventilatie (HVAC) van CFD-simulatie

Ondanks dat het een over het hoofd gezien onderdeel van ons dagelijks leven is, vereisen HVAC-systemen die lucht in onze huizen en kantoren pompen en conditioneren intensieve engineering en planning.

Om de lucht in een ruimte effectief te conditioneren, de lucht door een kamer te laten stromen en een hoge binnenluchtkwaliteit (IAQ) te garanderen, moeten HVAC-producten profiteren van de fysica van vloeistofdynamica.

Het maken van HVAC-diffusors, luchtbehandelingsunits en FTU's vereist doorgaans strenge tests om ervoor te zorgen dat ze de lucht effectief kunnen circuleren en conditioneren en voldoen aan de IAQ-normen.

Als zodanig hebben veel fabrikanten van HVAC-apparatuur zich tot CFD-simulatie gewend om prototyping te versnellen en nieuwe ontwerpen te valideren. Met CFD-simulatie kunnen ingenieurs de potentiële prestaties van hun producten in verschillende ruimtes en in verschillende configuraties analyseren.

5. Batterijsimulatie met CFD

Op het eerste gezicht lijkt het batterijontwerpproces weinig gemeen te hebben met lucht- en ruimtevaart- en HVAC-ontwerp - waar luchtstroom een ​​vitale (en voor de hand liggende) rol speelt in de kernfunctie van een product.

Maar batterijontwerp is een multidisciplinair proces dat verschillende technische praktijken vereist, waaronder chemische, elektrische, thermische en vloeistoftechniek. En als zodanig kan CFD-simulatie een belangrijke rol spelen bij het optimaliseren van de prestaties en veiligheid van batterijen (terwijl er minder tijd en middelen worden gebruikt voor fysieke tests).

CFD-software zoals Simulia kan batterijfabrikanten helpen visualiseren met 3D en problemen oplossen die verband houden met snel ontladen, overmatige omgevingsverwarming en overladen - die niet alleen de levensduur van de batterij beïnvloeden, maar ook de veiligheid van de consument.

6. Aerodynamica simuleren met CFD

Aerodynamica is de studie van hoe lucht rond objecten (zoals vliegtuigen of auto's) stroomt.

Het is misschien wel de meest bekende toepassing van CFD - aangezien auto-ontwerpers, ruimtevaartingenieurs en fabrikanten van sportuitrusting allemaal simulatiesoftware gebruiken om de luchtweerstand en wrijving te verminderen en tegelijkertijd de efficiëntie van hun producten te verbeteren.

Naast het kunnen ontwerpen van aerodynamische producten zonder te investeren in veel fysieke prototypes, maakt simulatie het voor ingenieurs mogelijk om zeer kleine wijzigingen in hun ontwerp te testen om de prestaties te maximaliseren - tientallen of honderden keren voordat ze in productie gaan.

7. Simulatie van warmteoverdracht en thermisch beheer in CFD

Warmteoverdracht en thermisch beheer is de discipline van het meten van hoe warmte beweegt door ontwerpen met vaste vloeistoffen (bijv. pijpen die hete vloeistof overbrengen) - en hoe ontwerpen kunnen worden geoptimaliseerd met behulp van de principes van warmtegeleiding, convectie of straling.

Thermisch beheer is van vitaal belang voor het waarborgen van de structurele integriteit en veiligheid van ontwerpen die matige warmte of koude vereisen. Het kan ook worden gebruikt om de prestaties en efficiëntie te optimaliseren van ontwerpen die warmte of verbranding gebruiken voor energie.

De meeste professionele CAD-softwarepakketten (zoals SolidWorks) hebben native ondersteuning voor het simuleren van modellen voor warmteoverdracht.

CFD-simulatie wordt gebruikt om de warmteoverdracht in alles te optimaliseren, van het ontwerpen van automotoren tot het ontwerpen van koffiemachines. Het is ook van vitaal belang voor een groot aantal andere simulatietypen die op deze lijst worden genoemd (zoals HVAC) - waar warmteoverdracht een integraal onderdeel is van de kernfunctie van een product.

8. Pijp- en klepsimulatie met CFD

Vloeistofstroom kan enorme druk uitoefenen op leidingen en kleppen - en kan leiden tot kritieke vervorming en defecten als er niet goed rekening mee wordt gehouden.

Als zodanig moeten olieraffinaderijen, aardgaspijpleidingen en woonleidingen allemaal worden geoptimaliseerd voor vloeistofstroom om veiligheid te bereiken en langdurige schade aan dure apparatuur te voorkomen.

Vóór de opkomst van CFD-simulatie vereiste dit soort optimalisatie vallen en opstaan. Leidingsystemen werden gebouwd met de beste schattingen en werden verfijnd of herzien na een storing.

Met CFD-simulatie kunnen ingenieurs de prestaties van een volledig leidingsysteem modelleren of een enkel onderdeel (zoals een klep) isoleren om de kans op falen te verkleinen. CFD-simulatie kan ook worden gebruikt om achteraf het falen van verouderde infrastructuur te onderzoeken, waardoor ingenieurs een nauwkeuriger beeld krijgen van wat er is gebeurd.

9. Elektronicakoeling simuleren met CFD

Alle elektronica die tegenwoordig wordt gebruikt, vereist een vorm van warmtebeheer (of het nu gaat om koellichamen, ventilatieopeningen, ventilatoren, thermische componenten of een combinatie). Dit komt omdat chips zoals GPU's en CPU's defect raken als ze oververhit raken. Deze componenten moeten relatief koel worden gehouden om de prestaties te behouden (meestal onder 85°C).

Zonder uitgebreide simulatie of tests zouden elektronicafabrikanten vaak producten op de markt brengen (zoals telefoons, speelgoed, computerchips, enz.) die door oververhitting faalden.

CFD-simulatie kan worden gebruikt om de meest ideale plaatsing van componenten (koellichaam, ventilator, enz.) te testen en te organiseren om ervoor te zorgen dat gevoelige chips niet oververhit raken.

10. Turbomachinery CFD-simulatie

Turbomachinery is een werktuigbouwkundig concept dat machines beschrijft die energie overbrengen van een rotor naar een vloeistof (zoals een compressor of een turbine).

Straalmotoren van vliegtuigen zijn een bekend voorbeeld van turbomachines, omdat het gasturbines zijn die stuwkracht produceren uit uitlaatgassen.

CFD-software wordt veel gebruikt bij het ontwerpen en optimaliseren van turbomachines, van voorbewerking, modellering, meshing tot en met nabewerking.

11. CFD-simulatie van materiaal met hoge reologie

Materialen met een hoge reologie zijn vaste stoffen die zich als vloeistoffen kunnen gedragen wanneer er krachten en spanningen op worden uitgeoefend. Voorbeelden van dergelijke materialen zijn:

• Kunststoffen
• Polymeren
• Glas
• Metalen
• Cement

Door technieken zoals blaasvormen, thermovormen en extrusie te gebruiken, kunnen fabrikanten deze vaste stoffen tot een eindproduct vormen.

Door de toepassing van CFD-simulatie kunnen fabrikanten hun reologiemateriaalontwerpprocessen versnellen en tegelijkertijd de vraag naar energie en grondstoffen minimaliseren. Ze kunnen kostenbesparingen identificeren door de vorm van fabricagematrijzen te veranderen, overtollig materiaal te verminderen en snel prototyping van reologische ontwerpen te maken.

12. Reagerende stromen en verbranding simuleren met CFD

Stromende vloeistoffen die chemisch reactief zijn (bijvoorbeeld in het geval van een verbrandingsmotor), worden in simulatie "reacting flows" genoemd.

Dit soort stromen vormen een moeilijk natuurkundig probleem voor ingenieurs.

Het gedrag van reagerende vloeistof voorspellen op een scheikundebankschaal (millimeters) is één ding, maar dit doen op oplossingsniveau (in kubieke liters) en daarbij rekening houden met turbulentie is enorm moeilijk.

En toch is het een belangrijk probleem.

In staat zijn om de onderliggende chemie en fysica van reagerende stromen te begrijpen, is cruciaal voor het verhogen van de energie-efficiëntie, brandstofflexibiliteit en verminderde emissies in de automobiel-, ruimtevaart- en energiesectoren.

Dit is een gebied waar CFD-simulatie uitblinkt. Het kan complexe, multi-fysische problemen aan, zoals reagerende stromen - waardoor fabrikanten inzichten krijgen over hun producten die bijna onmogelijk handmatig te berekenen zijn - zonder dat dure fysieke tests nodig zijn.

13. Onsamendrukbare en samendrukbare stroom met CFD-simulatie

(Bron:SimScale)

Samendrukbare stroom verwijst naar een vloeistofstroom waarbij de dichtheid niet constant is.

Met andere woorden, een vloeistof zoals zuurstof, waarvan de dichtheid kan worden gecomprimeerd of gedecomprimeerd met drukveranderingen - heeft een samendrukbare stroom.

Onsamendrukbare stroming verwijst naar een vloeistof waarvan de dichtheidsveranderingen verwaarloosbaar zijn, ongeacht de druk.

Water dat door een pijp stroomt, heeft een onsamendrukbare stroom, omdat druk een oneindig kleine invloed heeft op de dichtheid.

Beide soorten stroming stellen fabrikanten en ingenieurs voor unieke uitdagingen. Ingenieurs die aan aerodynamica werken, moeten bij hun analyse bijvoorbeeld rekening houden met de samendrukbaarheid van zuurstof (bij objecten die met verschillende snelheden reizen). Omgekeerd moeten industrieën die met onsamendrukbare vloeistoffen werken bij hun berekeningen rekening houden met de gewelddadige, krachtige en chaotische turbulente stromingen.

En in het geval van lucht- en ruimtevaart — waar beide soorten berekeningen mogelijk in één enkele analyse moeten worden gecombineerd — kunnen testen en plannen ongelooflijk complex worden.

Dit is de reden waarom CFD-simulatie een absolute noodzaak is voor veel moderne fabrikanten. Software zoals SimScale stelt ingenieurs in staat om onsamendrukbare en samendrukbare stromen in één simulatie te analyseren door unieke eigenschappen toe te kennen aan verschillende vloeistoffen.

Afsluitende gedachten

Vóór de komst van simulatie werden veel van 's werelds praktische natuurkundige problemen opgelost met dure (en tijdrovende) fysieke tests. Bedrijven waarvan de producten aan strenge tests voorafgingen, betaalden aanzienlijk meer met productstoringen en terugroepacties (en reputatieschade) op de lange termijn.

Maar met de komst van simulatiemodellering hebben ingenieurs en ontwerpers in alle sectoren toegang gekregen tot een goedkope manier om hun producten onder vrijwel alle omstandigheden te testen.

Met name computationele vloeistofdynamica stelt ingenieurs in staat om ontwerpen van producten te testen en te verbeteren waarbij vloeistofstroom, turbulentie en warmteoverdracht essentiële berekeningen zijn.

Maar testen is slechts een deel van de vergelijking.

Het is nog steeds een probleem voor ontwerpers om CAD-ontwerpen snel en efficiënt bij te werken om problemen op te lossen die zijn gesignaleerd door CFD-analyse, omdat het vaak veel handmatig nabewerking vereist.

Om simulatie op grote schaal in verschillende bedrijfstakken mogelijk te maken, moeten simulatietoepassingen gebruiksvriendelijker worden.

Als u een ontwerper of ingenieur bent die met CAD en simulatie werkt, bent u goed bekend met de hoeveelheid werk die nodig is om producten opnieuw te ontwerpen op basis van simulatie-outputs. De meeste CFD-software zal uw CAD-model niet bijwerken. In plaats daarvan geven ze u een "vectorveld" om de vereiste vervorming te tonen om uw model te optimaliseren. Het is dan de verantwoordelijkheid van de ontwerper om het ontwerp handmatig aan te passen.

Dit handmatige herontwerpproces kan worden geautomatiseerd met behulp van Spatial's BRep morphing-toolset. Gegeven een vectorvervormingsveld (een set van voor en na punten), laat deze toolset je elke BRep-geometrie automatisch morphen. Zo kunnen ingenieurs eenvoudig simulatieresultaten in hun ontwerp opnemen.