Počítačová dynamika tekutin (CFD) - úvod -

Transkript

1 Počítačová dynamika tekutin (CFD) - úvod -

2 Co je CFD? 2 Computational Fluid Dynamics (CFD) je moderní metoda jak získat představu o proudění tekutin, přenosu tepla a hmoty, průběhu chemických reakcích a dalších souvisejících jevů v definovaném prostředí. Pro použití CFD je třeba nejprve vytvořit model (virtuální prototyp zkoumaného systému), na který jsou následně aplikovány matematické postupy tak, aby byly ze zadaných okrajových a počátečních podmínek získány vybrané údaje o dějích probíhajících v celé zkoumané oblasti při respektování fyzikálních zákonů.

3 Proč CFD? 3 Popis a návrh systému Návrh je založen na simulaci místo postav a testuj více efektivní a rychlejší způsob CFD poskytuje detailní popis tokového pole Simulace systémů, které jsou problematické pro experiment simulace celků (budovy, lodě, letadla, ) vlivy prostředí (vítr, počasí, ) rizika (požáry, výbuchy, radiace, ) Poznání a výzkum fyziky tekutin Výsledky CFD simulací ověřujeme experimenty (pokud to jde).

4 Proč CFD? 4 Nízké náklady Užití experimentů pro získání základní inženýrských dat pro návrh průmyslového zařízení může být nákladné. Počítačové simulace jsou relativně málo nákladné, výpočetní čas se bude dále snižovat s rostoucím výkonem počítačů. Rychlost CFD výpočtu mohou proběhnou v krátké době. Získané výsledky se mohou okamžitě užít při návrhu nebo úpravě zařízení. Schopnost simulací reálných podmínek Některé poznatky je obtížné (nemožné) získat experimentálně, např. rychlostní profily v celém zařízení, požáry, výbuchy, Pomocí CFD můžeme teoreticky simulovat kterékoliv fyzikální podmínky.

5 Kde se CFD užívá? 5 Letectví Automobilový průmysl Biomedicína Chemické procesy HVAC Hydraulika Lodě Ropa & plyn Energetika Sport Elektronika

6 Kde se CFD užívá? 6 Letectví Automobilový průmysl Biomedicína Chemické procesy HVAC Hydraulika Lodě Ropa & plyn Energetika Sport Elektronika

7 Kde se CFD užívá? 7 Letectví Automobilový průmysl Biomedicína Chemické procesy HVAC Hydraulika Lodě Ropa & plyn Energetika Sport Elektronika

8 Kde se CFD užívá? 8 Letectví Automobilový průmysl Biomedicína Chemické procesy HVAC Hydraulika Lodě Ropa & plyn Energetika Sport Elektronika

9 Kde se CFD užívá? 9 Letectví Automobilový průmysl Biomedicína Chemické procesy HVAC Hydraulika Lodě Ropa & plyn Energetika Sport Elektronika heating, ventilating, air-conditioning

10 Kde se CFD užívá? 10 Letectví Automobilový průmysl Biomedicína Chemické procesy HVAC Hydraulika Lodě Ropa & plyn Energetika Sport Elektronika

11 Kde se CFD užívá? 11 Letectví Automobilový průmysl Biomedicína Chemické procesy HVAC Hydraulika Lodě Ropa & plyn Energetika Sport Elektronika

12 Kde se CFD užívá? 12 Letectví Automobilový průmysl Biomedicína Chemické procesy HVAC Hydraulika Lodě Ropa & plyn Energetika Sport Elektronika

13 Kde se CFD užívá? 13 Letectví Automobilový průmysl Biomedicína Chemické procesy HVAC Hydraulika Lodě Ropa & plyn Energetika Sport Elektronika

14 Kde se CFD užívá? 14 Letectví Automobilový průmysl Biomedicína Chemické procesy HVAC Hydraulika Lodě Ropa & plyn Energetika Sport Elektronika

15 Kde se CFD užívá? 15 Letectví Automobilový průmysl Biomedicína Chemické procesy HVAC Hydraulika Lodě Ropa & plyn Energetika Sport Elektronika

16 Základní kroky při řešení Definice cílů. 2. Stanovení modelované oblasti. 3. Vytvoření výpočetní sítě. 4. Výběr správného řešiče. 5. Nastavení numerického modelu. 6. Řešení. 7. Zkonvergování řešení. 8. Prohlížení výsledků. 9. Adaptace výpočetní sítě. 10. Revize modelu.

17 Základní kroky při řešení 17 Definice cílů Jaké chci výsledky a k čemu budou dále používány? Jakou požaduji přesnost? Jak rychle chci výsledky získat? Jaké další kapacity chci použít? User-Defined Functions

18 Základní kroky při řešení 18 Stanovení modelované oblasti výpočetní síť Jaký typ buněk bude použit: quad/hex, tri/tet nebo hybridní síť? Jaká hustota výpočetní sítě je pro jednotlivé oblasti nutná? Bude použitá adaptace výpočetní sítě? Kolik buněk bude pro úlohu potřeba? Je k dispozici dostatek RAM paměti?

19 CFD: složitá výpočetní sítě 19

20 Základní kroky při řešení 20 Výběr správného řešiče Komerční CFD: FLUENT/CFX, Star-CD, CFDRC Specializované programy MixSim míchané aparáty FIDAP nestlačitené proudění, složité geometrie (biomedicína) POLYFLOW viskózní a laminární proudění IcePak chlazení v elektronice AirPak ventilace, klimatizace Podpůdné programy Gridgen, Gambit - tvorba sítě Tecplot, FieldView vizualizace toku

21 Základní kroky při řešení 21 Nastavení modelu Vybrat vhodný fyzikální model. Definovat materiálové vlastnosti: Tekutiny (Fluid), Tuhých částí (Solid), Směsi (Mixture). Nastavit okrajové podmínky na všech hraničních plochách. Provést počáteční inicializaci. Nastavit řešič, podrelaxační podmínky, diskretizační schéma. Monitorovaní průběhu konvergence (residua, plošné integrály, síly).

22 Základní kroky při řešení 22 Řešení: stacionární Výpočet může vyžadovat velký počet iterací, než je dosažena konvergence. Řešení je považováno za zkonvergované, jsou-li změny klíčových hodnot malé. Sledování konvergence zahrnuje: Residua, Bodové hodnoty, Integrální bilance toků (hmotnostním, tepelný, atd.), Integrální síly (odpor, vztlak, atd.). Konvergence může být ovlivněna: Hustotou sítě, Přesností numeriky (diskretizační chyba), Přesností fyzikálního modelu (např., model turbulence).

23 Základní kroky při řešení 23 Řešení: nestacionární Nestacionární řešení je řešeno pomocí mezi-iterací v přechodu do dalšího časového stavu. V každém časovém kroku by mělo být dosaženo konvergence před přechodem do dalšího časového stavu. Výběr vhodné délky časového kroku, která řeší daný problém. Určení hodnoty času T charakterizující daný děj, Výběr časového kroku jako vhodného podílu char. času T např. t = T /100. Přizpůsobení časového kroku, aby bylo dosaženo konvergence během 0-20 iterací. Měnění časového kroku podle intenzity změn, např. v počátečním stadiu.

24 Základní kroky při řešení 24 Zkonvergování řešení Snížení residuí o tři řády predikuje v nejhorším případě kvalitativní konvergenci, hlavní rysy proudění jsou vyvinuty. Mimo tyto případy: V segregovaném řešiči (včetně FLUENT 6.1) musí poklesnout residuum energie na Residua složek (species residual) je vhodné dokonvergovat na k dosažení rovnováhy složek. Monitorování dalších proměnných, sledování rovnováhy, atd.

25 Základní kroky při řešení 25 Prohlížení výsledků Vizualizace může být použita k získání odpovědi na otázky: Jaký je celkový charakter proudění? Existují separace proudu? Kde jsou rázové vlny, smykové vrstvy, atd.? Jsou spočteny klíčové rysy proudění? Jsou vhodné fyzikální modely a okrajové podmínky? Existují lokální konvergenční problémy? Nástroje (reporting tools) lze použít k výpočtu těchto hodnot: Vztlak a odpor Zprůměrněné součinitele přestupu tepla Integrální bilance proměnných.

26 Základní kroky při řešení 26 Adaptace výpočetní sítě Lokální zvýšení hustoty sítě podle potřeby. Adaptace podle: Gradientů proměnných nebo uživatelem definovaných proměnných, Isohodnoty proměnných nebo uživatelem definovaných proměnných, Všechny hodnoty na hranicích Všechny buňky uvnitř regionu, Buňky v objemu (Fluid), Podle hodnoty y + na stěně, Kombinací výše uvedených možností. K adaptaci napomáhá: Vykreslení kontur adaptačních funkcí, Vykreslení buněk vybraných pro adaptaci, Limit adaptace založen na velikosti buňky a počtu buněk.

27 Základní kroky při řešení 27 Adaptace výpočetní sítě 2D rovinná úloha - počáteční síť 2D rovinná úloha - finální síť

28 Základní kroky při řešení 28 Revize modelu Jsou fyzikální modely vhodné? Je proudění turbulentní? Nestacionární? Vliv stlačitelnosti? 3D efekt? Jsou okrajové podmínky správné? Je výpočetní oblast dostatečně velká? Jsou okrajové podmínky vhodné? Jsou okrajové a vstupní hodnoty přiměřené? Je výpočetní síť odpovídající? Může adaptace sítě zlepšit výsledky? Mění se významně charakter proudění s adaptací nebo je na sítí nezávislé? Nepotřebují okrajové podmínky větší hustotu sítě? Je vhodnější jiný typ sítě (quad vs. tri nebo hex vs. tet)?