Ta strona jest wyświetlana w języku polskim przy użyciu automatycznego translatora. Czy chcesz wyświetlić ją w języku angielskim?
Czy tłumaczenie było pomocne?
  1. Home

Symulacja obliczeniowej mechaniki płynów

Symulacje obliczeniowej dynamiki płynów (CFD) opierają się na równaniu Naviera-Stokesa, używanym do opisu ruchu płynów.

Co to jest obliczeniowa dynamika płynów?

Symulacja obliczeniowej dynamiki płynów polega na wykorzystaniu podstawowych praw mechaniki, równań rządzących dynamiką płynów i modelowania w celu matematycznego sformułowania problemu fizycznego. Po sformułowaniu zasoby obliczeniowe wykorzystują metody numeryczne do rozwiązywania równań za pomocą oprogramowania CFD celu uzyskania przybliżonych rozwiązań dla danych właściwości fizycznych.

Symulacje obliczeniowej dynamiki płynów opierają się na równaniu Naviera-Stokesa, używanym do opisu ruchu płynów. Dokładność symulacji CFD zależy od wierności modelu, zastosowanych przybliżeń i założeń, walidacji eksperymentalnej i dostępnych zasobów obliczeniowych. Konieczne jest scharakteryzowanie niepewności i błędów w symulacji obliczeniowej dynamiki płynów, aby wykorzystać ją jako skuteczne narzędzie w projektowaniu i analizie.

Istnieją trzy główne metody przewidywania zachowania płynów i ich interakcji z otaczającym środowiskiem – eksperymentalna, analityczna i numeryczna. Obliczeniowa dynamika płynów to numeryczna metoda symulacji ustalonego i nieustalonego ruchu płynu przy użyciu metod obliczeniowych i sprzętu.

Obliczeniowa dynamika płynów jest dobrze ugruntowaną metodologią często stosowaną w celu zastąpienia lub uzupełnienia metod eksperymentalnych i analitycznych w celu wspomagania projektowania inżynieryjnego i analizy produktów codziennego użytku.

Powiązane produkty: Simcenter STAR-CCM+ | Simcenter FLOEFD | Simcenter Flotherm | Simcenter Flotherm XT | Simcenter Battery Design Studio

Zrzut ekranu z multidyscyplinarnego oprogramowania do symulacji obliczeniowej mechaniki płynów.

Odkryj korzyści

Obliczeniowa dynamika płynów jest dobrze ugruntowaną metodologią często stosowaną w celu zastąpienia lub uzupełnienia metod eksperymentalnych i analitycznych w celu wspomagania projektowania inżynieryjnego i analizy produktów codziennego użytku. W porównaniu z prototypowaniem i eksperymentami, symulacje CFD oferują następujące korzyści.

Zwiększ wydajność

Symulacja obliczeniowej dynamiki płynów umożliwia szybką analizę i badanie możliwości inżynieryjnych w celu zwiększenia wydajności produktu.

Skrócenie czasu

Symulacja CFD pomaga wprowadzić zoptymalizowane projekty produktów na rynek szybciej niż metoda kompilacji i testowania.

Redukcja kosztów

Wykorzystując obliczeniową dynamikę płynów, można znacznie obniżyć koszty rozwoju produktu w porównaniu z tradycyjnymi procesami projektowania opartymi na prototypach.

Etapy procesu symulacji CFD

Bez względu na oprogramowanie, wszystkie symulacje obliczeniowej dynamiki płynów są zgodne z tymi uogólnionymi krokami.

Grafika przedstawiająca tworzenie siatki w oprogramowaniu Simcenter STAR-CCM+.

Preprocessing

Etap wstępnego przetwarzania obejmuje utworzenie geometrii i przygotowanie jej do symulacji CFD. W procesie zwanym siatką lub generowaniem siatki, narzędzie CFD dzieli domenę na małe woluminy / komórki. Użytkownik stosuje warunki przepływu, właściwości płynu i początkowe warunki brzegowe.

Oprogramowanie do symulacji CFD rozpoczyna iteracyjne rozwiązywanie dyskretnych równań za pomocą solvera CFD.

Solving

Oprogramowanie do symulacji CFD rozpoczyna iteracyjne rozwiązywanie dyskretnych równań za pomocą solvera CFD. Ten krok może wymagać znacznych nakładów czasowych lub obliczeniowych. W przypadku złożonych symulacji coraz więcej przedsiębiorstw zwraca się ku przetwarzaniu w chmurze jako opłacalnemu rozwiązaniu tego problemu.

Reprezentacja korzyści płynących z uruchomienia Simcenter STAR-CCM+ na procesorach graficznych zapewnia możliwości obliczeniowej dynamiki płynów (CFD), które przyspieszają modelowanie złożoności.

Postprocessing

Po zakończeniu rozwiązywania kolejnym krokiem jest analiza i wizualizacja wyników symulacji jakościowo i ilościowo za pomocą raportów, monitorów, wykresów, obrazów 2D/3D i animacji. Na tym etapie uwzględniono również weryfikację i walidację wyników.

Wielofizyczna obliczeniowa dynamika płynów

Współczesna obliczeniowa dynamika płynów to coś więcej niż tylko możliwość symulowania i przewidywania przepływu płynu i zachowania wymiany ciepła. Obecnie CFD jest osadzony w multidyscyplinarnym środowisku inżynierii wspomaganej komputerowo (CAE), umożliwiając inżynierom modelowanie szerokiego zakresu fizyki związanej z płynami, od przepływów reagujących do aeroakustyki, od przepływów wielofazowych do dynamiki cząstek, od chłodzenia elektroniki do aerodynamiki i ścisłego powiązania ich z powiązaną dynamiką płynów. Ma to fundamentalne znaczenie w świecie coraz bardziej złożonych produktów, które wymagają holistycznej inżynierii międzydomenowej w celu osiągnięcia maksymalnej wydajności.

Wypróbuj bezpłatne wersje próbne oprogramowania

Model dwóch wyścigowych pojazdów typu buggy w oprogramowaniu Simcenter STAR-CCM+.

Simcenter STAR-CCM+ trial

  • Symulacja osiągów statku w pełnej skali i w rzeczywistych warunkach pracy
  • Przeglądaj setki projektów, przeprowadzając testy cyfrowe, co prowadzi do innowacyjnych rozwiązań
  • Skrócenie czasu symulacji obliczeniowej dynamiki płynów w środowisku morskim z dni do godzin
Zrzut ekranu Simcenter FLOEFD dla NX

Simcenter FLOEFD trial

  • Doświadcz symulacji obliczeniowej dynamiki płynów bezpośrednio w projektowaniu wspomaganym komputerowo (CAD) przy użyciu rzeczywistej geometrii dzięki oprogramowaniu Simcenter FLOEFD
  • Zdobądź praktyczne doświadczenie w badaniach symulacji przepływu płynów i analizie wymiany ciepła na wcześniejszym etapie, niezależnie od tego, czy korzystasz z NX, Solid Edge czy Creo
Simcenter Flotherm electronics electronics oprogramowanie do analizy termicznej online trial 2U Przykład symulacji serwera wraz z analizą termiczną PCB.

Simcenter Flotherm trial

  • Zdobądź biegłość w szybkiej i dokładnej symulacji projektowania termicznego niezawodnej elektroniki
  • Ucz się na przykładach i rozwijaj swoje projekty
  • Samouczki dotyczące bezproblemowego importu danych ECAD dla modeli PCB, optymalizacji radiatorów, analizy stanów nieustalonych, chłodzenia cieczą i kalibracji modelu

Często zadawane pytania

Analiza metodą elementów skończonych (MES) jest z powodzeniem stosowana w inżynierii produktu od dziesięcioleci. Równolegle stale rozwijano podejścia do modelowania o wysokiej wierności i bardziej pragmatyczne, które pozwalają szybciej uzyskać wystarczająco dokładne wyniki.

Obecnie inżynierowie mogą i muszą wybrać poziom dokładności, który najlepiej odpowiada ich potrzebom, aby odpowiedzieć na pytania inżynierskie przy minimalnym wysiłku obliczeniowym. Poziom dokładności waha się od technik modelowania o wysokiej wierności, które umożliwiają przewidywanie rzeczywistych zachowań z dokładnością do kilku procent lub nawet mniej, do szybkich metod, które umożliwiają szybkie przewidywanie trendów.

Obecnie procesy certyfikacji i weryfikacji narzędzi do symulacji MES są dobrze ugruntowane. Pozostaną one kluczowym składnikiem postępu MES, jego niezawodności i zaufania do cyfrowych bliźniaków oraz jego tworzenia w nowych obszarach. Podczas gdy symulacja predykcyjna będzie stale zmniejszać zapotrzebowanie na kosztowne pomiary i prototypowanie, nadal będzie wymagała rygorystycznych metod FES i walidacji najlepszych praktyk poprzez eksperymenty. 

Metodologie CFD Meshfree oferują atrakcyjne alternatywne podejście do metod opartych na siatkach dla wybranych zastosowań. Gdy szybkie uzyskanie wyników jest ważniejsze niż najwyższa dokładność, wygładzona hydrodynamika cząstek (SPH) jest wydajnym narzędziem. Jednak obie metody mają swoje miejsce i w zależności od wymagań dotyczących czasu do rozwiązania w porównaniu z wymaganą dokładnością, korzystne może być wybranie podejścia opartego na siatce lub bez siatki.

Większość przepływów wokół nas i istotnych dla rozwoju produktów ma charakter burzliwy. Przez dziesięciolecia nauka i przemysł nawiązały bliskie relacje, aby włączyć opisy turbulencji do równania Naviera-Stokesa. Na przykład tworzenie siatki najbardziej odpowiedniego modelu turbulencji dla danej aplikacji i projektu CFD w dużym stopniu zależy od dokładności w porównaniu z wymaganiami dotyczącymi prędkości symulacji.

Ogólnie rzecz biorąc, modelowanie turbulencji można podzielić na trzy główne kategorie: modelowanie statystyczne, znane również jako średnia Reynoldsa Naviera-Stokesa (RANS), symulacja rozdzielczości skali (SRS), taka jak symulacja dużych wirów (LES) lub symulacje wirów oderwanych (DES) i ostatecznie bezpośrednia symulacja numeryczna (DNS), która nie przyjmuje żadnych założeń modelowania turbulencji.

Nauka CFD wymaga czasu, poświęcenia, dokładnej nauki i praktyki. Kluczowe znaczenie ma zrozumienie podstawowych podstaw fizyki dynamiki płynów i równania Naviera-Stokesa, zrozumienie metod numerycznych i ich ograniczeń oraz przećwiczenie praktycznego wykorzystania rzeczywistego oprogramowania do obliczeniowej dynamiki płynów. Dzięki automatyzacji i ciągłemu doskonaleniu interfejsów użytkownika w nowoczesnym oprogramowaniu do obliczeniowej dynamiki płynów, bariery dla CFD o wysokiej wierności będą się dalej zmniejszać na wszystkich poziomach, przesuwając zakres badania wyników i podejmowania decyzji opartych na symulacji. Kluczowe znaczenie ma również zrozumienie podstawowej dynamiki płynów, aby ocenić wyniki i podejmować znaczące decyzje inżynierskie w oparciu o wyniki CFD.

Wybór sprzętu do projektu CFD naprawdę zależy od projektu, budżetu i bieżących priorytetów. Kilka zaleceń: procesory x86 przeprowadzają symulacje już od wieków. Każdy solver został początkowo opracowany i zweryfikowany dla tej platformy. Szukaj sprzętu CFD z maksymalną pamięcią podręczną - serwerów, stacji roboczych i laptopów. Procesory graficzne (GPU) obsługują obecnie wiele solverów, a oprogramowanie dostosowuje się do tego jeszcze bardziej. Rozwiązanie to jest bardzo energooszczędne. Zwróć szczególną uwagę na to, czy wymagane solwery są obsługiwane i spełniają wymagania dotyczące pamięci w danym przypadku użycia. Pozwala to w pełni wykorzystać możliwości stacji roboczych i klastrów GPU z wieloma procesorami graficznymi. Procesory ARM obsługują wszystko oprócz graficznego interfejsu użytkownika. Jest to podejście do ekonomicznego przetwarzania danych, zwłaszcza w przypadku usług w chmurze. Pod warunkiem, że Twoje narzędzie do symulacji obliczeniowej dynamiki płynów obsługuje technologię ARM. Ogólnie rzecz biorąc, symulacja CFD w chmurze jest prostym rozwiązaniem. Bez inwestycji w drogi sprzęt komputerowy, bez bezczynnych kosztów i skalowalność na żądanie.

Oprogramowanie do symulacji obliczeniowej dynamiki płynów jest wykorzystywane w szerokim zakresie zastosowań inżynierskich, gdy istnieje potrzeba zrozumienia lub przewidzenia przepływu płynu i wymiany ciepła oraz wynikającego z tego wpływu na projekt produktu lub systemu. W projektowaniu produktów przemysłowych symulacja obliczeniowej dynamiki płynów rozwinęła się w kierunku symulacji zachowania wielofizycznego w złożonych geometriach, umożliwiając firmom pełne zrozumienie i wirtualną optymalizację projektu produktu przed zbudowaniem prototypu.

Branże, w których symulacja obliczeniowej dynamiki płynów jest szeroko stosowana, obejmują:

  • Branża lotnicza
  • Przemysł motoryzacyjny
  • Chemiczny
  • Produkty konsumenckie
  • Przemysł morski (projektowanie statków, układy napędowe i silniki)
  • i elektronika
  • Energetyka (energia jądrowa, ropa naftowa i gaz oraz wytwarzanie energii)
  • Usługi budowlane
  • Nauki przyrodnicze
  • Maszyny wirnikowe
  • Komentator
  • Inne ogólne zastosowania związane z przepływem płynów i wymianą ciepła

Obejrzyj

Webinarium na żądanie | Nowe zdefiniowanie sztuki możliwości w symulacji obliczeniowej dynamiki płynów.

Posłuchaj

Podcast | Przeszłość, teraźniejszość i przyszłość obliczeniowej dynamiki płynów z dr Simonem Fischerem.

Przeczytaj

Blogi | Odkryj wszystkie blogi Simcenter poświęcone obliczeniowej dynamice płynów.