Если структура вещества не представляет интереса или ничтожно мала по сравнению с его объемом, вещество моделируется в виде «идеальной» сплошной среды (внутренняя структура среды не принимается во внимание). Такой подход удобен для исследования потоков вещества. При их моделировании широко применяются CFD-программы [1].
CFD-метод (англ. Computational fluid dynamics, CFD) – подраздел меха-ники сплошных сред, включающий совокупность физических, математических и численных методов, предназначенных для вычисления характеристик потоковых процессов.
Численные исследования с применением CFD-метода, как правило, подразумевают следующую последовательность действий:
- Постановка задачи исследования на основе экспертного анализа.
- Выбор метода расчета.
- Разработка физической модели.
- Выбор расчетного кода.
- Выбор и построение расчетной области.
- Разработка компьютерной модели.
- Валидация результатов численного моделирования.
- Верификация результатов численного моделирования.
- Разработка отчетной документации [2].
Разработка компьютерной модели при использовании CFD-метода заключается в составлении и решении уравнений для распределения скоростей, давления, плотности и температуры среды (рисунок 1).
CFD — контракты на разницу
Рисунок 1 — Схема применения метода вычислительной гидрогазодинамики
В общем случае исходная система линейных дифференциальных уравнений в частных производных состоит из: уравнений движения (уравнений Навье–Стокса или осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье–Стокса для случаев, описывающих турбулентные течения); уравнения неразрывности; уравнения сохранения энергии; уравнения состояния, начальных и граничных условий. В подавляющем большинстве случаев такая система уравнений не имеет аналитического решения, поэтому необходимо применение численных методов для получения приближенного численного решения [1, 2].
Как правило, в результате CFD-моделирования объект исследования визуализируется цветовым полем градиента. Это может быть 2D визуализация или 3D модель с характерными геометрическими параметрами. На рисунке 2 изображена компьютерная CFD-модель поля градиента скорости воздушных потоков [3].
Рисунок 2 — Компьютерная CFD-модель поля градиента скорости воздушных потоков
Существует множество разнообразных программных пакетов CFD-моделирования. Можно отметить такие широко применяемые программные комплексы, как ANSYS Fluent, Autodesk Simulation CFD, Pushbutton CFD и другие продукты.
К примеру, посредством моделирования с использованием CFD-пакетов на сегодняшний день гоночными командами производится анализ и оптимизация весьма сложных потоков воздуха, образующихся на переднем и заднем спойлере современных гоночных автомобилей Формулы-1. Безупречная и эффективная работа будь то гоночного автомобиля Формулы-1, воздухоочистителя или индукционного улавливающего кожуха зависит от потоков воздуха, циркулирующих внутри устройства и в окружающем его пространстве. Моделирование с использованием CFD благодаря заложенным в них физическим и математическим моделям позволяет воспроизвести эти невидимые, но весьма важные и сложные процессы. Самое большое преимущество моделирования с использованием CFD по сравнению с другими экспериментальными методами и измерениями заключается в том, что определяются не только значения в выборочных точках, но и одновременно регистрируется совокупность всех физических величин, и тем самым появляется возможность удостовериться в правильности функционирования модели.
Что такое CFD (контракт на разницу) простыми словами?
Более детально мы остановимся на компьютерной реконструкции дискретных сред, в частности на структурно-имитационном моделировании упаковок частиц гранулированных материалов, представляющих особый интерес при решении многих рецептурно-технологических задач.
Библиографические ссылки:
[1] – Пальцер, У. Компьютерное моделирование в производстве бетонных изделий / У. Пальцер, Й.Г. Швабе // Бетон и Железобетон. 2010. 20-22.
[2] – Белова, О.В. Методологические основы CFD-расчетов для поддержки проектирования пневмогидравлических систем / О.В. Белова, В.Ю. Волков, А.П. Скибин, А.В. Николаева, А.А.
Крутиков, А.В. Чернышев // Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, вып. 5. С.1-13.
[3] – Козырев С.А. CFD метод в компьютерных технологиях как инструмент исследования аэродинамики глубоких карьеров / С.А. Козырев, В.Ф. Скороходов, Р.М. Никитин, П.В. Амосов, В.В. Массан // Труды горного института Кольского НЦ РАН.
2014. С.251-255.
Источник: sunspire.site
CFD-моделирование
CFD-моделирование (Computational Fluid Dynamics modeling) — один из подразделов механики сплошных сред.
Подраздел призван вычислять характеристики потоковых процессов при помощи вычислительных и физико-математических методов.
CFD-моделирование позволяет оценить температуру и смоделировать движение воздушных потоков в действующем или проектируемом центре обработки данных
При использовании методики CFD-моделирования необходимо пройти следующие этапы:
Подготовительный (формулировка геометрии модели, необходимых физических условий и др.)
Расчет (численное решение основных уравнений по базовым физическим параметрам)
Анализ (отображение результатов в виде графиков, таблиц и др.)
Для любого исследования в области гидродинамики необходимо использовать систему из следующих основных уравнений гидрогазодинамических потоков (уравнение неразрывности, сохранения импульса и др.) и выбрать один из методов решения этой системы (метод конечных разностей, конечных объемов и др.)
Вычислительная гидродинамика (CFD), также известная как 3-мерное (3D) гидравлическое моделирование, представляет собой практический способ прогнозирования и визуализации потоков воды в реальных условиях, в тч в реках, сооружениях ливневых вод и системах сточных вод.
CFD решает фундаментальные уравнения потока, которые описывают, как физические законы управляют движением жидкости.
Это также обеспечивает детализацию и понимание того, что одномерные (1D) и двумерные (2D) гидравлические модели не могут быть получены путем разрешения потока в 3 направлениях.
Проще говоря, CFD обеспечивает практические преимущества физического моделирования при разумных затратах времени и средств.
На ранних стадиях и до недавнего времени CFD был слишком дорогим и использовался только для очень крупных проектов, чтобы воспользоваться его повышенной точностью.
Но с технологическим прогрессом цена значительно снизилась, открывая двери для небольших сообществ, чтобы воспользоваться этим передовым анализом.
Источник: neftegaz.ru
Знакомство с Autodesk CFD на практике. Часть 1. Создание простейшей модели.
Инженерный анализ – полезная штука, которая позволяет проверить работоспособность проектируемого изделия и его эксплуатационные характеристики при заданных условиях. Иными словами, будет ли всё работать так, как нужно. Поэтому современное ПО, выполняющее такой виртуальный анализ, становится неотъемлемым помощником проектировщика на этапе разработки.
Кажется, что изучить такие инструменты очень сложно. Но существуют программы, которые не требуют от пользователя компетенций в вычислительных операциях. Мы начинаем серию статей, которые помогут вам самостоятельно начать работать с одной из таких систем. Вперед!
Программа Autodesk CFD предназначена для решения задач вычислительной механики жидкостей и газов (МЖГ) с учётом процессов теплообмена при помощи метода конечных элементов. Прежде чем начать обучение, расскажем об особенностях этой системы:
- расчеты в CFD производятся на основе геометрической модели, предварительно созданной в CAD-приложении;
- в CFD запрограммировано множество специальных математических моделей, которые расширяют её возможности и позволяют применять в таких отраслях как электроника, системы вентиляции и кондиционирования, гидротехника и др.;
- CFD разрабатывалась как программный продукт для инженеров и проектировщиков, не обладающих высокими компетенциями в области вычислительной МЖГ.
Самая лёгкая (но не единственно возможная) последовательность создания простейшей модели в Autodesk CFD выглядит так:
- создание расчётной геометрической модели в CAD-приложении и её экспорт в Autodesk CFD;
- присвоение свойств материала каждому отдельному объекту геометрии;
- определение граничных условий (ГУ) на входных и выходных сечениях;
- задание параметров для генерации расчётной сетки;
- настройки параметров решателя и запуск решения.
Шаг 1. Экспорт геометрической CAD-модели в Autodesk CFD
Поскольку CFD работает с геометрией CAD, разработчики обеспечили совместимость программы с большинством популярных форматов. Кроме того, CFD поддерживает общие форматы 3D-геометрии SAT, STP и IGS. Во время установки CFD автоматически интегрируется в CAD-приложение, которое обнаруживает на компьютере. В результате в интерфейсе программы появляются кнопки для экспорта модели, которые показаны ниже (рис. 1.1). В данном случае, чтобы запустить передачу модели, нужно открыть вкладку Simulation и выбрать кнопку Active Model .
Также на рисунке можно видеть изображение 3D-модели ресивера, на примере которого будет показано моделирование движения потоков воздуха. Важно отметить, что на рисунке мы видим не сам ресивер, а трёхмерную модель воздуха, который заполняет его проточную область. Поскольку в данном примере не рассматриваются тепловые процессы, этой модели будет достаточно. Она состоит из одного приточного канала, расположенного в верхней части корпуса, и трёх выпускных каналов в нижней части.
После запуска функции Active Model на экране появится диалоговое окно (рис. 1.2), где в поле Study name нужно указать имя проекта, в поле Design name – название конструктивного исполнения геометрической модели, в Scenarion name – название сценария нагружения (режим работы) и в Study path – папку, в которой будут храниться файлы модели. Затем нужно нажать кнопку Launch , после чего запустится Autodesk CFD, и можно будет приступить к определению параметров рассчитываемой модели. На этом этап подготовки геометрической модели и её экспорта в CFD завершён.
Первое, что рекомендуется сделать после открытия модели в CFD, – задать единицу измерения длины, которая будет использоваться по умолчанию. Для этого в дереве модели на пункте Geometry нужно нажать правую кнопку мыши и в появившемся меню выбрать пункт mm , или любую другую единицу из списка, как это показано ниже (рис. 1.3).
Шаг 2. Присвоение свойств материала каждому объекту геометрии
Теперь можно перейти к назначению свойств материала геометрическим объектам. В нашем случае в модели присутствует только одно объёмное тело, которое представляет собой воздух внутри ресивера. И чтобы назначить этому телу соответствующие свойства, можно найти его в дереве модели на ветке Material – 1 Unassigned и в контекстном меню выбрать пункт Edite . Откроется диалоговое окно свойств материала. В этом окне в поле Type (тип материала) нужно выбрать Fluid (текучий материал) и в поле Name выбрать материал с именем Air , после нажать кнопку Apply .
Шаг 3. Определение граничных условий на входных и выходных сечениях
По условию задачи, через входное сечение патрубка в коллектор попадает воздух со скоростью 3000 мм/сек, а через выходные патрубки воздух свободно покидает расчётную область, не встречая никакого сопротивления. Поэтому на входном и выходных сечениях нужно будет определить граничные условия двух типов.
На входном сечении нужно указать граничное условие, определяющее скорость потока. Для этого на ленте нужно выбрать пункт Boundary Condition , чтобы CFD переключился в режим определения ГУ. Далее в графическом окне нужно выделить торцевую грань входного патрубка и с помощью контекстного меню вызвать окно редактора граничных условий, как это показано ниже (рис. 3.1). В открывшемся окне в строке Type (тип ГУ) выбрать Velocity (скорость), в строке Units выбрать нужные единицы измерения, в данном случае mm/s , и затем в строке Velocity Magnitude указать значение скорости 3000. При необходимости, направление потока, которое в графическом окне отображается стрелкой на выделенной поверхности, можно изменить с помощью кнопки Reverse Normal .
Для определения граничных условий на сечениях выходных патрубков нужно выполнить следующие действия. Последовательно выбрать все три выходных сечения и вызвать окно редактора ГУ, аналогично тому, как это было сделано ранее для ГУ на входном сечении. Для того, чтобы CFD понял, что через выходные сечения воздух может свободно вытекать наружу, на этих сечениях нужно назначить давление воздуха, равное нормальному атмосферному. Для этого в окне редактора ГУ нужно выбрать тип граничного условия Pressure и указать нулевое значение. На то, что это значение указывается не по абсолютной величине, а относительно нормального атмосферного, указывает тип давления Gage .
Источник: dzen.ru