Computational Fluid Dynamics (CFD) beheersen: Toepassingen & impact in diverse industrieën

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

Van het ontwerpen van efficiënte manieren om een SoC (System on a Chip) koel genoeg te houden om correct te functioneren, tot het helpen aan racewagens om nog een paar seconden van hun tijd af te knippen: computational fluid dynamics blijft een krachtig hulpmiddel voor simulatie en optimalisatie.

Figuur 1. CFD wordt vaak geassocieerd met luchtvaart- en automobielontwerp, maar is van toepassing op diverse industrieën, waaronder elektricemotoren, robotica, batterijen, en thermisch beheer. Afbeelding gebruikt met toestemming van Siemens

Wat is Computational Fluid Dynamics (CFD)?

CFD is een numeriek simulatie- en modelleringstool gebaseerd op de principes van vloeistofdynamica. Het gebruikt numerieke methoden en algoritmen om problemen op te lossen die betrekking hebben op de stroom van vloeistoffen.

Als onderdeel van deze uitleg is het belangrijk te weten dat vloeistoffen niet beperkt zijn tot vloeistoffen. Vloeistoffen omvatten ook gassen zoals lucht. CFD kan vloeistofstroom, chemische reacties, faseveranderingen, warmte- en massa-overdracht, en vloeistoffen, gassen, en vastestoffen die door een systeem stromen, simuleren.

Hoe Computational Fluid Dynamics (CFD) werkt: De basisprincipes

De primaire governerende vergelijkingen zijn de continuousvergelijking (massa-behoud), Newton's Tweede Wet (impulsbehoud), en de Eerste Wet van de Thermodynamica (energiebehoud). De sleutelvariabelen zijn snelheid, druk, en absolute temperatuur, samen met dichtheid, thermische geleiding, enthalpie, en viscositeit.

Figuur 2. Stroomsimulatie illustreert de stroom van vloeistofdeeltjes door een systeem tijdens interactie met vastestoffen, andere vloeistoffen, en warmte. Afbeelding gebruikt met toestemming van Autodesk

CFD-simulatie heeft als doel de snelheid, druk, en temperatuur in elk punt binnen het stroomexperiment te begrijpen.

Resultaten van CFD-modellering

CFD-modelleringsresultaten kunnen na-verwerkt worden om informatieve visualisaties te bieden die kunnen omvatten: stroomlijnen die de snelheid (snelheid en richting) van vloeistofstroom voorstellen, kaarten die temperatuurdistributies tonen, en deeltjestracering die de beweging van een enkel vloeistofdeeltje toont (om er een paar te noemen).

Met de voortdurende toename in rekenkracht en grafische mogelijkheden, kunnen visualisaties in 3D gemanipuleerd worden en overtuigende afbeeldingen, video's, en animaties genereren om gebruikers te helpen de data te interpreteren en te delen met niet-technische doelgroepen.

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 verdeeld wordt in eindige controlevolumes. Deze individuele controlevolumes zijn gecentreerd rond een knooppunt gelegen bij het zwaartepunt van het volume.

De differentiële vorm van de governerende vergelijkingen van het model wordt geïntegreerd, en de variabele van belang tussen de zwaartepunten wordt verkregen via interpolatieprofielen. De resulterende vergelijking, bekend als de discretisatie- of gediscretiseerde vergelijking, drukt dan het behoudsprincipe uit voor de variabele binnen het controlevolume.

FVM is redelijk populair vanwege zijn veelzijdigheid en omdat de oplossing zal voldoen aan het behoud van hoeveelheden zoals energie, soorten, impuls, of massa. Behoud wordt precies voldaan voor zowel individuele controlevolumes als het gehele computationele domein.

Figuur 3. CFD vindt uitgebreide toepassing in thermisch beheer van elektronica, zoals in dit voorbeeld van een modulair chassis voor mission-critical toepassingen. Afbeelding gebruikt met toestemming van ANSYS

Andere methoden die ook met CFD gebruikt kunnen worden, zijn de Finite Element Method (FEM), meestal geassocieerd with vaste-stofmechanica, en Finite Element Analysis (FEA).

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

Waarvoor wordt Computational Fluid Dynamics gebruikt?

In algemene zin optimaliseert, analyseert, en verifieert CFD ontwerpen die betrekking hebben op vloeistofstroom voordat dure prototypes geproduceerd worden. Dure fysieke tests worden op die prototypes uitgevoerd.

In het algemeen kan CFD gebruikt worden voor:

• Batterijsimulatie
• Elektricemotor-koeling
• Reologie
• Energie-efficiëntie
• Thermisch beheer
• Vloeistof-structuur interactie
• Vormoptimalisatie
• Turbulentiemodellering
• HVAC
• Turbineschroefoptimalisatie
• Vliegtuig / Luchtvaartontwerp
• Automobielontwerp

Meer specifiek wordt CFD gebruikt om:

• Optimalisatie van effectief thermisch beheer voor SoCs
• Ontwikkeling van locomotie voor bio-geïnspireerde onderwaterrobots
• Ontwerp van zachte robotmanipulatoren
• Engineering van water-gekoelde elektricemotoren
• Studie van ruwe olie vervuiling warmteoverdrachtsoppervlakken
• Thermisch beheer van een gerobusteerd modulaire chassis voor militaire communicatie-elektronica
• Prestatie-optimalisatie van racewagens

Daarnaast kan CFD gecombineerd worden 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 datacentra optimaliseren, met informatie over sleutelkenmerken zoals de koelluchtstroom die nodig is om temperaturen onder controle te houden. Afbeelding gebruikt met toestemming van Autodesk

Computational Fluid Dynamics Software

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

Niet alle CFD-pakketten zijn commercieel: OpenFOAM is een gratis, open-source CFD-pakket dat draait op Linux, macOS, en Windows 10. Daarnaast zijn er browser-gebaseerde CFD-systemen zoals SimScale, wat gebaseerd is op OpenFOAM. Er zijn ook krachtige post-verwerkingstools zoals Ceetron Desktop Components die leven in CFD-oplossingsdata blazen.

Correct uitgevoerd, kan het het gedrag van vloeistoffen onthullen en hoe ze interageren met vastestoffen, warmte, faseveranderingen, en chemische reacties. CFD wordt in veel verschillende industrieën gebruikt, helpen bij het optimaliseren van ontwerpen en het besparen van tijd en geld voor prototyping en fysieke testing. Van brandstofspruiters in straalmotoren en racewagen-carrosseries tot zachte robotica en datacenter-luchtkoelsystemen, CFD heeft zich tijd en weer onschatbaar bewezen tijdens het ingenieursproces.