CFD simulering - Hvad er CFD?

Computational Fluid Dynamics (CFD) betegner en numerisk tilgang til simulering af fluid dynamik og interaktionen mellem eksempelvis en væske eller en gas og dens omgivelser.

Hvad er en CFD simulering?

 

Aerotak™ beskæftiger sig i praksis med, hvad der sker når væsker, gasser eller partikler strømmer. Strømning af væske og gasser er afgørende for en række fænomener, lige fra åndedrag til hvordan et fly kan lette fra jorden. Ved brug af CFD simuleringer kan Aerotak™ på kvalitativ og kvantitativ vis forudsige, hvordan recirkulationen af luft i lungerne foregår eller evaluere et flys ydeevne i forbindelse med design optimeringer. Det unikke ved CFD simuleringer er dens generalitet, der gør det muligt at løse for en bred vifte af strømningsforhold, såfremt man besidder den nødvendige erfaring og viden. Disse strømningsforhold kan bl.a. inkludere:

• Overførsel af masse (f.eks. sediment transport og fordampning)

• Overførsel af varme (f.eks. brændere, inddampere og forbrænding)

• Kemiske reaktioner (f.eks. forbrænding, gasificering og reaktions kinetik)

• Kræfter på legemer (f.eks. biler, flyvinger, vindmøller)

The første nødvendige skridt, der skal tages for at kunne udfærdige en CFD simulering med succes, er at opstille et formål med simuleringen og ønskede slutresultat. Kompleksiteten af simuleringen er positivt korreleret med den nødvendige simuleringstid. Det er således vigtigt at simuleringens formål stemmer i overens med de ressourcer, der er til rådighed. For at give en bedre forståelse af arbejdsgangen i forbindelse med CFD simuleringer og understrege vigtigheden af afvejelsen mellem formål, præcision, beregningskraft og simuleringstid, introducerer denne side et trinvis gennemgang af et simpelt casestudie.

Flow omkring en cylinder

I dette casestudie viser vi, hvordan en CFD simulering kan anvendes til at kvantificere og forstå strømningsforholdene omkring en cylinder.

1. Definere målet for simuleringen

Som nævnt bør det første og vigtigste skridt altid være at definere hensigten med simuleringen. Formålet med dette casestudie er at forstå flowet omkring en cylinder, mere specifikt ønsker vi at visualisere det transiente hastighedsfelt, der skabes i kombinationen mellem strømningen og den fikserede cylinder.

2. Forbered geometri og grænsebetingelserne

I kølvandet på det formulere formål og eventuelle problemstilling, skal fluid domænet klargøres. Dette gøres i praksis ved at optegne geometrien, der i dette tilfælde involverer et rektangulær flow domæne med en cylinder placeret inden for domænets vægge. For at reducere antallet af ligninger, der skal løses, og samtidig simplificerer disse, betragtes strømningen som todimensionel, hvorfor den tredje retning (ind i skærmen) ses bort fra.
Grænsebetingelser benyttes til at fastlægge strømningens betingelser og overordnede tilstand. På indløbet defineres en strømningshastighed, mens eksempelvis cylinderen og alle vægge langs med flowet påtrykkes en nul-hastighedsbetingelse.
Figuren nedenfor viser det opstillede fluid domæne. Væskestrømning er begrænset til det blå område, altså er cylinderen solid.

3. Mesh

CFD og numeriske beregningstekniker gør det muligt at løse komplekse flow problemer for hvilke ingen analytiske løsninger eksisterer. Dette kræver at de ligninger, der ligger til grund for strømningens opførsel under et sæt givne forhold, omskrives til et sæt af algebraiske ligninger, der kan løses i mindre udsnit af det samlede fluid domæne. Processen forbundet med opstillingen af sådanne domæne udsnit (celler) betegnes som en stedslig diskretisering, eller meshing, af fluid domænet. Ved at øge antallet af celler, og dermed mindske størrelsen af hvert domæne udsnit, øges præcisionen af løsningen ved sammenligning med den egentlige opførsel af flowet. Det øgede antal celler kræver dog mere beregningstid. Oftest anvendes et højt antal celler i områder med store strømningsgradienter, som for eksempel i nærheden og nedstrøms af cylinderen. Antagelsen om en todimensionel strømning gør det muligt at mindske antallet af celler betragteligt of reducere størrelsen af ligningssystemer, der skal løses.
En diskretiseret udgave af fluid domænet er vist nedenfor. Hver kvadrat svarer til en overflade af en tredimensionel cell. Tykkelsen af domænet er blot én celle bred for at opnå en pseudo todimensionel strømning.

4. Simuler

For langt størstedelen af fluid mekaniske udfordringer relateret til praktiske anliggender er det ikke rentabelt at løse de fulde Navier-Stokes ligninger, der beskriver strømningen. Disse ligninger kan reduceres og simplificeres ved at midle hvert led over tid, der fører til RANS (Raynolds Averaged Navier-Stokes) ligningerne. RANS ligningerne baserer sig på en række grundlæggende antagelser om strømningen og kræver en ekstra model til at beskrive turbulensen is strømningen. En sådan turbulensmodel er nødvendig for at kunne løse stort set alle af virkelighedens strømninger, om det er et vindpust, et ventilationssystem, eller et rensningsanlæg. Fælles for disse eksempler er at strømningshastighederne og dimensionerne af fluid domænet er store nok til at strømningen opfører sig kaotisk eller turbulent. Valget af turbulensmodel og dens implementering i CFD programmet har en afgørende indflydelse på kvaliteten af resultaterne såvel som beregningstiden. Dette valg skal derfor træffes med omhu.

For strømningen omkring en cylinder kan man i visse tilfælde undgå at benytte sig af en turbulensmodel og i stedet betragte strømningen som laminar. I dette tilfælde er strømningen af hastigheden høj nok til at flowet er meget turbulent og ustabilt. Udover at løse flowet på det genererede mesh vha. den valgte turbulensmodel er vi også nødt til at tage højde for tiden. Vi sørger for at bestemme strømningsfeltet til et givent tidspunkt, hvorefter vi tager et skriv frem i tiden og bestemmer det nye strømningsfeltet. Denne iterative proces fortsættes indtil en fuldt udviklet strømning er opnået.

En løsning til det opstillede problem er visualiseret nedenfor til et bestemt tidspunkt. Cylinderen påvirker flowet af luft og skaber områder med høje og lav hastigheder nedstrøms (bagved) cylinderen.

Selvom CFD er en tidskrævende proces med mange faldgrupper er det oftest billigere og mere tidsbesparende at udføre sådanne beregninger end at opstille og udføre forsøg, der sjældent er hverken muligt eller rentabelt på eksempelvis industrielle procesanlæg. Hos Aerotak™ har vi meget for øje at mindske tiden fra en simulering er bestilt til at resultaterne ligger bordet. Dette sikrer vi os ved kun at benytte os af den nyeste og mest avancerede software og hardware, samtidigt med at vi er specialiseret i at udvikle optimerede og automatiserede CFD setups, der nedbringer beregningstiden og uden at kompromittere kvaliteten af resultaterne.

5. Databehandling og visualisering

For at kunne opfylde formålet med simulering skal den nødvendige information udtrækkes fra simuleringen. I dette casestudie er vi interesseret i på visuel vis at præsentere kvantitativ data, så den kan fortolkes på kvalitativ vis. Resultaterne kan behandles på mange andre måder, bl.a. ved bestemmelse af aflede egenskaber (f.eks. vorticitet) og kvantificeres gennem værdier for løft og modstand på cylinderen samt frekvensen af den oscillerende bevægelse.

6. Tag det sidste skridt

Strømningens oscillerende bevægelse nedstrøms af cylinderen kan visualiseres som funktion af tiden ved a lave en animation. Strømningen består af en række af vortex kerner, der skiftesvis bevæger sig fra den ene side til den anden side. Flowet er bedre kendt som et von Karman vortex fænomen eller hvirvelafløsning.

Forudsigelsen af denne type hvirvelafløsning og dens størrelse af afgørende for design og evaluering af en række konstruktioner, deriblandt broer, bygninger, kabler osv. hvor svingninger, støj og holdbarhed af nøglebegreber. Et simpelt studie som dette kan derfor give stor indsigt og information omkring en bred vifte af fysiske og praktiske udfordringer.

Har du et Computational Fluid Dynamics projekt, så kontakt os her.