Simulace proudění tekutin pomocí CFD

Tags: CAE | CFD | proudění tekutin | Simulace

Proč bychom se měli o proudění tekutin zajímat? Představme si jednoduchý případ: cyklista, který se snaží vyhrát závod. Kromě toho, že musí překonávat třecí odpor pneumatik kola při styku s vozovkou a v kopcích pak ještě sílu gravitační, klade mu v jeho cestě za vítězstvím odpor i vzduch, kterým je obtékán. Tento odpor není vůbec zanedbatelný a může tvořit až 50 % celkového odporu. Na tomto jednoduchém příkladě můžeme vidět, jak významnou roli proudění může hrát. Pro cyklistu i celý jeho tým je důležité vědět, jak je cyklista vzduchem obtékán, protože je to faktor, který může rozhodnout o prohře, nebo vítězství. A stejně tak je to ve všech oblastech průmyslu.

Význam CFD v praxi

Proudění tekutin může mít vliv na mnoho výrobních a provozních parametrů (tlakové ztráty, opotřebení, hluk, atd.). Proto je potřeba vědět, jaký je tento vliv a jaký má dopad v konkrétních případech. Znalost charakteru proudění nám dává možnost učinit opatření, která umožňují odstranit negativní vlivy proudění tekutin a naopak maximálně využít vlivy pozitivní. Obecně lze říci, že existují dva přístupy k řešení. Jednou z možností je zjišťovat chování proudění experimentálně, což je v mnoha případech značně časově i finančně nákladné a v případech, kde se vyskytují složité fyzikální jevy, to může být dokonce nemožné. Druhou možností jsou CFD simulace neboli matematicko-fyzikální numerické řešení proudění tekutin, které umožňují problematiku proudění řešit v mnohem kratším časovém horizontu a při nižších nákladech. V praxi se většinou oba přístupy kombinují.

3D výpočet proudění průtočnou částí přímoproudé Kaplanovy turbíny s cílem zjistit
možné nežádoucí účinky proudu ve vstupním kanále a lopatkové části

Jak již bylo řečeno, využívání CFD výpočtů umožňuje snížit náklady, a to jak na vývoj a výrobu, tak i na samotný provoz. Pomocí virtuálních prototypů jsme schopni odhalit kritické oblasti a provést příslušné změny v návrhu ještě před zahájením příprav na výrobu a samotné výroby. Za jejich pomoci lze zvýšit účinnost, kvalitu, životnost, bezpečnost, ale i snížit dopad na životní prostředí, a to jak u nových, tak i stávajících zařízení.

Principy a možnosti CFD

Numerické simulace vycházejí z fyzikálního popisu pohybu tekutiny, který je dán základními zákony zachování: zákon zachování hmoty, hybnosti a energie. Ty lze vyjádřit matematicky pomocí rovnice kontinuity, rovnice přenosu hybnosti a rovnice přenosu energie. Poslední dvě zmiňované rovnice se souhrnně nazývají Navier–Stokes rovnice (N-S rovnice). Získáváme tak soustavu nelineárních parciálních diferenciálních rovnic. Tato soustava je ještě doplněna o konstituční vztahy, které popisují termodynamické vlastnosti proudící tekutiny. V případě turbulentního proudění jsou jednotlivé členy rozděleny na střední hodnotu a okamžitou fluktuační složku. Tím se nám v soustavě rovnic objevují další neznámé (korelace fluktuací tlaku a rychlosti). Takto upravené rovnice mají označení RANS rovnice (Reynolds–Average Navier–Stokes rovnice). Stejný problém nastává i v případech, kdy se kromě samotného proudění objeví další fyzikální jevy spojené například se spalováním, s chemickými reakcemi atd. Navíc v technické praxi se převážně setkáváme s turbulentním prouděním a složitými fyzikálními jevy.

ANSYS Matematické modely pro výpočty komplexních problémů proudění tekutin

Jak tedy řešit takto komplexní problémy? Simulační nástroje ANSYS nabízejí celou řadu matematických modelů pro popis různých fyzikálních jevů a tyto modely lze mezi sebou vzájemně kombinovat. Jejich souhrn je uveden na obrázku. Barevné rozlišení označuje, jak náročné je použití jednotlivých modelů (červená = nejnáročnější), toto označení je však pouze orientační, neboť náročnost závisí na mnoha faktorech, jako například kolik fyziky je v modelu obsaženo nebo jak jemnou síť je potřeba pro výpočet použít, atd. Tyto modely pak uzavírají výše zmíněnou soustavu rovnic a je možné ji vyřešit.

Zviditelnění turbulentní mezní vrstvy na desce pomocí kouře umožňující
zřetelně vidět chaotický a vířivý charakter proudění

Řešení turbulentního proudění je složité samo o sobě, neboť se v proudění vyskytují vírové struktury různých velikostí. Proto existuje několik metod řešení, kromě výpočtů rovnicemi RANS s turbulentními modely jsou k dispozici metoda LES (Large Eddy Simulation), metoda DES (Deteched Eddy Simulation) nebo metoda DNS (Přímá numerická simulace).

Predikce eroze při míchání propanu různých teplot s přidanými vodními kapkami.
Použité modely: model turbulence, disperzní fáze a přenos tepla

Postup řešení CFD výpočtů

Předtím než začneme provádět samotné výpočty, je třeba si definovat, co chci pomocí CFD výpočtu zjistit a jaké očekávám výstupy. Dále je třeba stanovit oblast, která bude modelována. Máme-li určenou oblast, potřebujeme geometrii dané oblasti, kterou buď vytvoříme, nebo ji importujeme z CAD programu. Z geometrie odstraníme části, které nemají na proudění vliv, a vytvoříme výpočetní síť. Po načtení výpočetní sítě do řešiče nastavíme počáteční a okrajové podmínky, materiálové vlastnosti a další parametry dle typu úlohy a použitých modelů. Následně provedeme výpočet a vyhodnotíme výsledky. Řešení je uloženo jako jediný soubor s informacemi o tlacích, rychlostech, teplotách, koncentracích složek a dalších. Zobrazit si je můžeme buď graficky ve formě obrázků kontur, vektorů, proudnic atd., nebo numericky jako grafy závislostí, silové účinky, momenty, hmotnostní průtoky a další integrální hodnoty. Na základě získaných výsledků je důležité provést kontrolu modelu. Pak už následuje zhodnocení získaných výsledků.

Výhody řešení ANSYS

ANSYS CFD je výkonný, přesný, rychlý a robustní nástroj. Jeho síla je nejen v jednom prostřední ANSYS Workbench pro řešení všech typů CFD analýz, ale i možnost analyzovat vzájemnou interakci proudění, strukturální mechaniky a magnetismu v tomto prostředí. Navíc umožňuje automatizovaný simulační proces.

Ukázka optimalizace tvaru potrubí pomocí Adjoint solver

Další předností je nejlepší škálovatelné CFD řešení na trhu, což umožňuje rychlé simulace rozsáhlých komplexních systémů. Nástroje ANSYS CFD poskytují velké množství turbulentních modelů od stacionárních až po vysoce sofistikované nestacionární modely (LES, DES). Stejně tak velký výběr modelů pro vícefázové proudění a jedny z nejpokročilejších modelů spalování. Jejich vysoká přesnost je zaručena kvalitní a důkladnou validací.

Postup při výpočtech proudění tekutiny pomocí simulačních nástrojů

Z pohledu tvarové optimalizace nabízí ANSYS CFD nejen klasické nástroje optimalizace, jako je DesignExplorer, obsahující i DOE přístup, ale i inovativní řešení, které zrychluje optimalizací, díky nutnosti vytvořit pouze jeden model, tzv. Adjoint solver. Využití automatické simulace pro optimalizaci významně šetří čas i náklady díky snadné a rychlé změně geometrie nebo sítě. Odpadá potřeba investovat do výroby prototypu, protože se vše děje virtuálně. Simulační nástroje ANSYS vám tak mohou pomoci, stejně jako cyklistovi, zvítězit nad konkurencí a uspokojit potřeby vašich zákazníků kvalitními a spolehlivými výrobky při zachování nízkých nákladů na jejich vývoj a výrobu.