Symulacja obliczeniowej mechaniki płynów

Analiza metodą elementów skończonych (MES) jest z powodzeniem stosowana w inżynierii produktu od dziesięcioleci. Równolegle rozwijane podejścia do modelowania odznaczające się wysoką wiernością i praktycznością pozwalały szybciej uzyskiwać wystarczająco dokładne wyniki.

Obecnie inżynierowie mogą, a nawet muszą wybierać poziom dokładności, który najlepiej odpowiada ich potrzebom i dostarcza odpowiedzi na istotne pytania przy minimalnym nakładzie mocy obliczeniowych. Poziom dokładności może obejmować zarówno techniki modelowania o wysokiej wierności, które umożliwiają przewidywanie rzeczywistego zachowania z dokładnością do kilku procent lub większą, jak i szybkie metody prognozowania ogólnych trendów.

Obecnie procesy certyfikacji i weryfikacji oferowane przez narzędzia do symulacji metodą elementów skończonych (MES) są już dobrze ugruntowane. Pozostają kluczowym czynnikiem przyczyniającym się do popularności analiz MES i warunkującym niezawodność cyfrowych bliźniaków oraz ich stosowanie w nowych obszarach. Symulacja predykcyjna będzie stale ograniczać konieczność wykonywania kosztownych pomiarów i prototypowania, będzie jednak w dalszym ciągu wymagać rygorystycznych metod elementów skończonych i weryfikowania najlepszych praktyk drogą eksperymentów. 

Bezsiatkowe metody CFD stanowią atrakcyjne alternatywne podejście do metod opartych na siatce w wybranych zastosowaniach. Gdy szybkie uzyskanie wyników jest ważniejsze niż maksymalna dokładność, odpowiednim wyjściem jest wygładzona hydrodynamika cząstek (SPH. ang. Smoothed Particle Hydrodynamics). Obie metody mają jednak swoje zastosowanie; podejście oparte na siatce lub bezsiatkowe może być wskazane w zależności od wymagań dotyczących czasu uzyskania rozwiązania lub jego dokładności.

Większość przepływów płynów istotnych dla rozwoju produktów wiąże się z turbulencjami. Przez dziesięciolecia przedstawiciele świata nauki i przemysłu ściśle współpracowali na rzecz włączenia opisów turbulencji do równania Naviera-Stokesa. Utworzenie siatki modelu turbulencji optymalnego dla danego zastosowania i projektu CFD zależy w dużej mierze od dokładności, co odbywa się kosztem czasu wykonywania symulacji.

Ogólnie rzecz biorąc, modelowanie turbulencji można podzielić na trzy główne kategorie: modelowanie statystyczne, znane również jako równanie Naviera-Stokesa z uśrednianiem Reynoldsa (RANS, ang. Reynolds Average Navier-Stokes), symulacja rozdzielczości skali (SRS, ang, Scale-Resolving Simulation), symulacja dużych wirów (LES, ang. Large-Eddy Simulation) lub symulacje wirów wolnostojących (DES, ang. Detached Eddy Simulations) i wreszcie bezpośrednia symulacja numeryczna (DNS, ang. Direct Numerical Simulation) wykonywana bez z żadnych założeń dotyczących założeń modelowania turbulencji.

Nauczenie się wykonywania analiz CFD wymaga czasu, zaangażowania, systematycznej nauki i praktyki. Należy dogłębnie zrozumieć podstawowe aspekty fizyczne mechaniki płynów oraz równania Naviera-Stokesa, zapoznać się z metodami numerycznymi i ich ograniczeniami, a także ćwiczyć pracę z oprogramowaniem do obliczeniowej mechaniki płynów. Dzięki automatyzacji, ciągłemu doskonaleniu interfejsów użytkownika w nowoczesnym oprogramowaniu do obliczeniowej mechaniki płynów bariery utrudniające wykonywanie analiz o wysokim stopniu wierności będą się stale obniżać na wszystkich poziomach zaawansowania użytkowników, co spowoduje przesunięcie w stronę analizowania wyników i podejmowania decyzji na podstawie symulacji. Ponadto kluczowe znaczenie ma znajomość podstaw mechaniki płynów będąca warunkiem właściwej interpretacji wyników analiz CFD i podejmowania istotnych decyzji inżynieryjnych na ich podstawie.

Wybór sprzętu do wykonania analizy CFD zależy od konkretnego projektu, budżetu i priorytetów. Kilka zaleceń: do wykonywania symulacji używa się od lat procesorów x86. Każdy solwer został wstępnie opracowany i zweryfikowany pod kątem zgodności z tą platformą. Sprzęt do analiz CFD powinien oferować jak największą pamięć podręczną; dotyczy to serwerów, stacji roboczych i laptopów. Procesory graficzne (GPU) obsługują obecnie wiele solwerów, a oprogramowanie dostosowuje się do nich w jeszcze większym stopniu. Takie rozwiązanie charakteryzuje się oszczędnym zużyciem energii. Warto zwrócić szczególną uwagę, czy wymagane solwery są obsługiwane i czy spełniają wymagania dotyczące pamięci dotyczące danego przykładu użycia. Pozwala to w pełni wykorzystać możliwości stacji roboczych i klastrów GPU z wieloma procesorami graficznymi. Procesory ARM obsługują wszystko oprócz graficznego interfejsu użytkownika. Takie podejście zapewnia ekonomiczne przetwarzania danych, zwłaszcza w przypadku usług w chmurze, pod warunkiem że narzędzie do symulacji obliczeniowej mechaniki płynów obsługuje technologię ARM. Ogólnie rzecz biorąc, symulacja CFD w chmurze jest dość prostym rozwiązaniem, niewymagającym inwestycji w drogi sprzęt komputerowy, bez niepotrzebnych kosztów i zapewniającym skalowalność na żądanie.

Oprogramowanie do symulacji obliczeniowej mechaniki płynów jest powszechnie stosowane w różnych dziedzinach inżynierii wszędzie tam, gdzie zachodzi potrzeba zrozumienia lub prognozowania przepływu płynów i przekazywania ciepła oraz ich wpływu na projekt produktu lub układu. W dziedzinie projektowania przemysłowego symulacje obliczeniowej mechaniki płynów umożliwiają symulowanie wielodomenowego zachowania złożonych geometrii, co pozwala w pełni zrozumieć i zoptymalizować produkt w środowisku wirtualnym przed zbudowaniem fizycznego prototypu.

Symulacje obliczeniowej mechaniki płynów znajdują szerokie zastosowanie w różnych branżach, takich jak:

• Branża lotnicza
• Branża motoryzacyjna
• Branża chemiczna
• Branża artykułów powszechnego użytku
• Branża morska (projektowanie statków, układów napędowych i silników)
• Branża elektroniczna
• Energetyka (energia jądrowa, ropa naftowa i gaz oraz wytwarzanie energii)
• Usługi budowlane
• Nauki przyrodnicze
• Branża maszyn turbinowych
• Sport
• Inne ogólne zastosowania związane z przepływem płynów i przekazywaniem ciepła