Obliczeniowa symulacja dynamiki płynów

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

Dzisiaj 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 rzeczywistego zachowania w granicach kilku procent lub nawet mniej, po szybkie metody, które umożliwiają szybkie przewidywanie trendów.

Obecnie procesy certyfikacji i weryfikacji narzędzi symulacyjnych FEA są dobrze ugruntowane. Pozostaną kluczowym składnikiem postępu FEA, jej niezawodności i zaufania do cyfrowych bliźniaków oraz jej ustanowienia w nowych obszarach. Chociaż symulacja predykcyjna będzie stale zmniejszać potrzebę kosztownych pomiarów i prototypowania, nadal będzie wymagać rygorystycznych metod FE i walidacji najlepszych praktyk poprzez eksperymenty.

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

Większość przepływów wokół nas i związanych z rozwojem produktów ma charakter turbulentny. Przez dziesięciolecia nauka i przemysł nawiązały bliskie relacje, aby uwzględnić opisy turbulencji do równania Naviera-Stokesa. Na przykład, siatkowanie najbardziej odpowiedniego modelu turbulencji dla danego zastosowania i projektu CFD w dużej mierze zależy od wymagań dotyczących dokładności i prędkości symulacji.

Ogólnie rzecz biorąc, modelowanie turbulencji można podzielić na trzy główne kategorie: modelowanie statystyczne, znane również jako Reynolds Average Navier-Stokes (RANS), symulację rozdzielczą w skali (SRS), jak symulacja wielkowirowa (LES) lub odłączone symulacje wirowe (DES) i ostatecznie bezpośrednia symulacja numeryczna (DNS), która nie stawia żadnych założeń modelowania turbulencji.

Nauka CFD wymaga czasu, poświęcenia, dokładnego studiowania i praktyki. Niezwykle ważne jest zrozumienie podstawowej fizyki dynamiki płynów i równania Naviera-Stokesa, zrozumienie metod numerycznych i ich ograniczeń oraz przećwiczenie praktycznego wykorzystania rzeczywistego narzędzia do obliczeniowej dynamiki płynów. Dzięki automatyzacji i ciągłemu doskonaleniu interfejsów użytkownika w nowoczesnym oprogramowaniu do obliczeniowej dynamiki płynów, bariery dla kontraktów CFD o wysokiej wierności będą dalej zmniejszać się na wszystkich poziomach przesuwając się, co pozwoli na eksplorację wyników i podejmowanie decyzji opartych na symulacji. Ważne jest również zrozumienie podstawowej dynamiki płynów, aby ocenić wyniki i podejmować znaczące decyzje inżynieryjne na podstawie wyników CFD.

Wybór sprzętu dla projektu CFD naprawdę zależy od projektu, budżetu i aktualnych priorytetów. Kilka zaleceń: procesory x86 od wieków uruchamiają symulacje. Każdy solver został początkowo opracowany i zweryfikowany dla tej platformy. Poszukaj sprzętu CFD z maksymalną pamięcią podręczną - serwery, stacje robocze i laptopy. Graphic Processing Units (GPU) obsługują obecnie wiele solwerów, a oprogramowanie jeszcze bardziej się do tego dostosowuje. To rozwiązanie jest bardzo energooszczędne. Zwróć szczególną uwagę, że wymagane solwery są obsługiwane i spełniają wymagania dotyczące pamięci w przypadku użycia. Pozwala to na maksymalne wykorzystanie stacji roboczych z wieloma procesorami GPU i klastrów GPU. Procesory ARM obsługują wszystko oprócz graficznego interfejsu użytkownika. Jest to podejście do ekonomicznych obliczeń, zwłaszcza w usługach chmurowych. Pod warunkiem, że Twoje obliczeniowe narzędzie do symulacji dynamiki płynów obsługuje technologię ARM. Ogólnie rzecz biorąc, symulacja CFD oparta na chmurze jest prostym rozwiązaniem. Brak inwestycji w drogi sprzęt komputerowy, brak bezczynnych kosztów i skalowalne na żądanie.

Oprogramowanie do symulacji dynamiki obliczeniowej płynów jest używane w szerokim zakresie zastosowań inżynieryjnych, gdy istnieje potrzeba zrozumienia lub przewidywania przepływu płynu i wymiany ciepła oraz wynikającego z tego wpływu na projekt produktu lub systemu. W projektowaniu produktów przemysłowych obliczeniowa symulacja dynamiki płynów przeszła do symulacji zachowań multifizycznych w złożonych geometriach, umożliwiając firmom pełne zrozumienie i optymalizację projektu produktu praktycznie przed zbudowaniem prototypu.

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

• Lotnictwo
• Motoryzacja
• Chemiczny
• Produkty konsumenckie
• Morskie (projektowanie statków, układy napędowe i konstrukcja silnika)
• Elektronika
• Energia (energia jądrowa, ropa naftowa i gazowa oraz wytwarzanie energii elektrycznej)
• Usługi budowlane
• Nauki przyrodnicze
• Turbomaszyny
• Sporty
• Inne ogólne zastosowania obejmujące przepływ cieczy i przenoszenie ciepła