13 Essentiële CFD-toepassingen: Prestaties Verhogen in Luchtvaart, HVAC en Elektronica

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

Deze technologie wordt gebruikt in gebieden zoals cavitatiepreventie, luchtvaarttechniek, HVAC-techniek, elektronica-productie, en nog veel meer.

Hieronder is een lijst van de meest voorkomende CFD-simulatie-toepassingen in gebruik vandaag.

1. CFD-simulatie voor Cavitatiepreventie

Cavitatie is de vorming van dampbellen binnen een vloeistof, en treedt op wanneer een object (zoals een schroef) door de vloeistof beweegt. Cavitatie kan schade veroorzaken aan schroeven, mondstukken, turbines, overloopdammen, en kleppen.

Cavitatie is een kritiek vloeistof-dynamica-probleem dat een brede reeks engineering-domeinen beïnvloedt.

Wat is het grootste probleem?

Het is erg moeilijk om cavitatie-ge veroorzaakte schade aan een component tijdens fysieke stresstests te detecteren — omdat de schade gradueel is, en geen duidelijke effecten toont tot het een kritieke drempel bereikt.

Bijvoorbeeld, één manier om cavitatie-schade aan een schroef te meten is door instrumenten te gebruiken om trillingen en geluid te meten. Maar de meeste instrumenten zijn niet gevoelig genoeg om dit type schade nauwkeurig te meten.

Cavitatie-simulatie door CFD kan ingenieurs helpen minuscule 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 flexibiliteit, duurzaamheid en veiligheid van hun projecten te verbeteren.

2. Draaiende Machines Simuleren met CFD

Draaiende machines zoals compressoren, stoompompen, gasturbines, en turbo-expanders hebben één ding gemeen: de cyclische belasting die op de structuur werkt.

Labyrinth-zetingen worden in diverse typen draaiende machines gebruikt om lekkagestroom te verminderen. Het gas dat door de zetingen passeert creëert vaak een dryvende kracht die leidt tot onstabiele rotorvibraties.

Wat hier essentieel is, is in staat te zijn om de dynamische rotorkracht te bepalen die onstabiliteit creëert.

Opnieuw, in plaats van te investeren in constant prototypen en fysieke stresstests, kan CFD-simulatie gebruikt worden om een verscheidenheid aan ontwerpvariabelen te testen om de meest ideale constructie van draaiende machines te vinden.

3. CFD-simulatie voor Laminare en Turbulente Stroom

Turbulentie is de plotselinge heftige beweging van lucht, water, of andere vloeistoffen. Het is een van de meest verwoestende en onvoorspelbare weersverschijnselen waar piloten mee geconfronteerd worden. Feitelijk kan extreme turbulentie het onmogelijk maken voor luchtvaartpiloten om hun vliegtuigen te controleren, en kan zelfs ernstige letsels aan passagiers veroorzaken.

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

Eén van de meest voorkomende modellen voor het simuleren van turbulentie is Generalized k-omega (GEKO) in ANSYS. GEKO helpt turbulentiemodellen aan te passen aan een brede verscheidenheid aan toepassingen door gebruikers in staat te stellen individuele parameters van de simulatie aan te passen terwijl de modelcalibratie behouden blijft.

4. Verwarming, Airconditioning en Ventilatie (HVAC) Toepassingen van CFD-simulatie

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

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

Het creëren van HVAC-diffusoren, luchtbehandelingsunits, en FTU's vereist doorgaans rigorese tests om te garanderen dat ze effectief lucht kunnen circuleren en conditioneren, en aan IAQ-standaarden voldoen.

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

5. Batterijsimulatie met CFD

Op het eerste gezicht lijkt het batterijontwerpproces weinig gemeen te hebben met de likes van luchtvaart- en HVAC-ontwerp — waar luchtstroom een vitale (en duidelijke) rol speelt in de kernfunctie van een product.

Maar batterijontwerp is een multidisciplinair proces dat diverse engineering-praktijken vereist — inclusief chemische, elektrische, thermische, en vloeistoftechnische engineering. En als zodanig kan CFD-simulatie een belangrijke rol spelen in het optimaliseren van de prestaties en veiligheid van batterijen (terwijl minder tijd en middelen besteed worden aan fysieke tests).

CFD-software zoals Simulia kan batterijfabrikanten helpen visualiseren met 3D en problemen op te lossen geassocieerd met snelle ontlading, overmatige omgevingsverhitting, en overladen — wat niet alleen de batterijlevensduur beïnvloedt, maar ook de consumentenveiligheid.

6. Aerodynamica Simuleren met CFD

Aerodynamica is de studie van hoe lucht om objecten stroomt (zoals vliegtuigen of automobielen).

Het is misschien wel de bekendste toepassing van CFD — aangezien automobielontwerpers, luchtvaartingenieurs en sportuitrustingfabrikanten allemaal simulatie software gebruiken om de weerstand en wrijving van lucht te verminderen tijdens het verbeteren van de efficiëntie van hun producten.

Naast in staat te zijn om aerodynamische producten te ontwerpen zonder te investeren in veel fysieke prototypen, maakt simulatie het mogelijk voor ingenieurs om heel kleine veranderingen in hun ontwerp te testen om prestaties te maximaliseren — tientallen of honderden keren voordat ze naar productie gaan.

7. Warmteoverdracht en Thermisch Beheer Simulatie in CFD

Warmteoverdracht en thermisch beheer is de discipline van meten hoe warmte door vast-vloeistof-ontwerpen beweegt (bijv. buizen die hete vloeistof transporteren) — en hoe ontwerpen geoptimaliseerd kunnen worden met de principes van warmteleiding, convectie, of straling.

Thermisch beheer is vitaal voor het garanderen van de structurele integriteit en veiligheid van elk ontwerp dat matige warmte of kou vereist. Het kan ook gebruikt worden om de prestaties en efficiëntie van ontwerpen te optimaliseren die warmte of verbranding voor stroom gebruiken.

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

CFD-simulatie wordt gebruikt om warmteoverdracht te optimaliseren in alles van automobielmotoren tot koffieapparaten. Het is ook vitaal voor een myriade van andere simulatie-typen die op deze lijst genoemd worden (zoals HVAC) — waar warmteoverdracht een integraal onderdeel is van de kernfunctie van een product.

8. Buis- en Klep-simulatie met CFD

Vloeistofstroom kan immense druk uitoefenen op buizen en kleppen — en kan leiden tot kritieke vervorming en falen als het niet goed in rekening gebracht wordt.

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

Voor de opkomst van CFD-simulatie vereiste dit soort optimalisatie proef en fout. Systemen van buizen werden gebouwd met best-guess schattingen, en werden verfijnd of herzien na falen.

Met CFD-simulatie kunnen ingenieurs de prestaties van een heel systeem van buizen modelleren of een enkel component (zoals een klep) isoleren om de kans op falen te verminderen. CFD-simulatie kan ook gebruikt worden om falen van verouderde infrastructuur na-af te onderzoeken, wat ingenieurs een nauwkeuriger beeld geeft van wat er gebeurde.

9. Elektronica-koeling Simuleren met CFD

Alle elektronica die vandaag in gebruik is, vereist een of andere vorm van warmtebeheer (of het nu heatsinks, vents, ventilatoren, thermische componenten, of een combinatie is). Dit is omdat chips zoals GPU's en CPU's gaan misfunctioneren als ze oververhit raken. Deze componenten moeten relatief koel gehouden worden om prestaties te behouden (meestal onder 85°C).

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

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

10. Turbomachinery CFD-simulatie

Turbomachinery is een mechanisch engineering-concept dat machines beschrijft die energie van een rotor aan een vloeistof overdragen (zoals een compressor of een turbine).

Vliegtuig straalmotoren zijn een veelvoorkomend voorbeeld van turbomachinery, aangezien ze gasturbines zijn die duwt produceren uit uitlaatgassen.

CFD-software wordt uitgebreid gebruikt in het ontwerp en de optimalisatie van turbomachinery, van pre-processing, modelleren, meshing, doorheen tot post-processing.

11. Hoge Reologie Materiaal CFD-simulatie

Hoge reologie materialen zijn vastestoffen die zich als vloeistoffen gedragen wanneer krachten en spanningen op ze toegepast worden. Voorbeelden van dergelijke materialen zijn:

• Kunststoffen
• Polymeren
• Glas
• Metalen
• Cement

Door technieken zoals blaasvormen, thermovormen, en extrusie te gebruiken — kunnen fabrikanten deze vastestoffen in een eindproduct vormgeven.

Door de toepassing van CFD-simulatie, kunnen fabricanten hun reologie-materiaalomontwerpprocessen versnellen terwijl energie- en grondstofvraag geminimaliseerd wordt. Ze kunnen kostenbesparingen identificeren door de vorm van productiemalen te veranderen, overtollig materiaal te verminderen, en snel rheologische ontwerpen te prototypen.

12. Reagerende Stromingen en Verbranding Simuleren met CFD

Stromende vloeistoffen die chemisch reactief zijn (in het geval van een verbrandingsmotor, bijvoorbeeld), worden aangeduid als "reagerende stromingen" in simulatie.

Deze typen stromingen vertegenwoordigen een moeilijk fysica-probleem voor ingenieurs.

Het voorspellen van het gedrag van reagerende vloeistof op een chemie-bankschaal (millimeters) is een ding — maar dit doen op een oplossingsniveau (bij kubieke liters) terwijl rekening gehouden wordt met turbulentie, is immens moeilijk.

En toch, is het een belangrijk probleem.

In staat zijn om de onderliggende chemie en fysica van reagerende stromingen te begrijpen is cruciaal voor het verhogen van energie-efficiëntie, brandstof-flexibiliteit, en verminderde emissies in de auto-, luchtvaart- en energiesectoren.

Dit is een gebied waar CFD-simulatie uitblinkt. Het kan complexe, multi-fysica problemen zoals reagerende stromingen aan — wat fabrikanten inzichten geeft over hun producten die bijna onmogelijk handmatig te berekenen zouden zijn — zonder dure fysieke tests te vereisen.

13. Incompressibele en Compressibele Stroom met CFD-simulatie

(Bron: SimScale)

Compressibele stroom verwijst naar een vloeistofstroom waar dichtheid niet constant is.

Met andere woorden, een vloeistof zoals zuurstof, wiens dichtheid gecomprimeerd of gedecomprimeerd kan worden met drukveranderingen — heeft een compressibele stroom.

Incompressibele stroom verwijst naar een vloeistof wiens dichtheidsveranderingen verwaarloosbaar zijn, ongeacht druk.

Water dat door een buis stroomt heeft een incompressibele stroom, omdat druk een infinitesimale impact heeft op de dichtheid.

Beide typen stroom presenteren unieke uitdagingen voor fabricanten en ingenieurs. Ingenieurs die aan aerodynamica werken, moeten bijvoorbeeld de compressibiliteit van zuurstof (met objecten die op verschillende snelheden reizen) in rekening brengen in hun analyse. Integen, industrieën die met incompressibele vloeistoffen werken, moeten de gewelddadige, krachtige, en chaotische turbulente stromingen in rekening brengen met hun berekeningen.

En in het geval van luchtvaart — waar beide typen berekeningen gecombineerd kunnen moeten worden in een enkele analyse — kan testen en plannen ongelooflijk complex worden.

Dit is waarom CFD-simulatie een absolute noodzaak is voor veel moderne fabricanten. Software zoals stelt ingenieurs in staat om incompressibele en compressibele stromingen in één simulatie te analyseren door unieke eigenschappen aan verschillende vloeistoffen toe te kennen.

Afsluitende Gedachten

Voor het avontuur van simulatie, werden veel van de praktische fysica-problemen van de wereld opgelost met dure (en tijdrovende) fysieke tests. Bedrijven wiens producten rigorese tests vermeden, betaalden aanzienlijk meer met productfalansen en terugroepacties (en reputatieschade) op de lange termijn.

Maar met het avontuur van simulatiemodellering, hebben ingenieurs en ontwerpers over alle industrieën toegang gekregen tot een goedkope manier om hun producten in virtueel elke conditie te testen.

Computational fluid dynamics in het bijzonder stelt ingenieurs in staat om ontwerpen van producten te testen en te verbeteren waar vloeistofstroom, turbulentie, en warmteoverdracht vitale berekeningen zijn.

Maar testen is slechts een deel van de vergelijking.

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

Om grootschalige adoptie van simulatie over industrieën te mogelijk maken, moeten simulatie-applicaties eenvoudiger te gebruiken worden.

Als je een ontwerper of ingenieur bent die werkt met CAD en simulatie, ben je innig vertrouwd met de hoeveelheid werk die vereist is om producten te herontwerpen gebaseerd op simulatie-uitvoeringen. De meeste CFD-software zal je CAD-model niet bijwerken. In plaats daarvan geven ze je een "vectorveld" om de benodigde vervorming te tonen om je model te optimaliseren. Het is dan de verantwoordelijkheid van de ontwerper om het ontwerp handmatig aan te passen.

Deze handmatige herontwerpproces kan geautomatiseerd worden door gebruik te maken 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 simulateresultaten gemakkelijk terug in hun ontwerp verwerken.