Что такое CFD моделирование, сферы применения
Computational Fluid Dynamics Modeling, или CFD моделирование работает для конкретной области - механики сплошных сред (воздух, газы, вода и прочие жидкости). Этот вид математического моделирования применяется для решения задач гидродинамики, газодинамики (аэродинамики), теплопереноса.
Уверенно можно сказать, что CFD - один из самых популярных видов моделирования на данный момент. Самые наглядные примеры для широкой публики: авто- и авиа-производители. Речь не только о суперкарах и сверхзвуковых истребителях. Любая гражданская модель проходит аэродинамические испытания в натуральном виде, но прежде проводится расчет компьютерной 3D модели.
Задачи аэродинамической эффективности решаются численными способами не только для летательных и прочих подвижных объектов. Лопасти ветровой мельницы, расчет переходных режимов ее работы - хороший пример.
Но не только сопротивление воздуха интересует инженеров при работе с газодинамикой. Множество процессов не так наглядны, как "обтекаемость", но не менее важны.
К примеру, расчет выбросов газа из скруббера (газоочистной системы) металлургического завода или морской нефтяной платформы.
Огромное количество задач связано с моделированием воздушных потоков в помещениях.
Одна из решаемых нами задач звучала так: для понимания возможности использования светильников в чистом помещении, где производится микроэлектроника, требуется произвести CFD-моделирование воздушного потока. Помещение высотой 6 метров. в котором на потолке установлены светильники. Из потолка идет воздушный поток, которые обтекает светильники. Необходимо определить на каком расстоянии от светильника заканчиваются завихрении воздушного потока
Заканчивая рассказ по расчетам газодинамики, нельзя не сказать о задачах теплопереноса. Системы охлаждения и нагрева промышленного оборудования (на изображении ниже анализ теплопередачи с целью определения эффективности охлаждения газовой турбины),
климат-контроль различных помещений, в том числе критически важной инфраструктуры, например дата-центров, и многое другое.
Расчеты гидродинамики нисколько не уступают в количестве применений. Оцениваются не только влияние жидкостей, например воды на корпус морского судна, или потока под давлением на трубопроводный вентиль, но и различные взаимодействия, одновременные процессы гидрогазодинамики.
Кстати, было очень интересно получить комментарий о гильзах для датчиков температуры от коллег из WIKA на одном из обучений. Мы задали вопрос, для чего на одной из гильз нанесены какие-то насечки. Оказалось, что при определенных условиях (давление потока, длина и диаметр гильзы) после прохождения жидкости через гильзу с высокой скоростью, образовывались обратные турбулентные потоки, приводящие к раскачиванию и поломке гильзы.
Инженеры обратились к CFD специалистам, построили модель, провели ряд расчетов, и внесли необходимые улучшения в конструкцию гильз.
Наиболее интересными инженерными задачами являются мультифизические процессы, учитывающее и гидравлику и газы, и твердые частицы. Ниже расскажем о нашем опыте в таких задачах.
Программное обеспечение для CFD моделирования
Для создания и расчетов CFD моделей мы применяем несколько видов программного обеспечения:
1. Star CCM+ . Входит в тот же пакет SimCenter Siemens, что и наш основной инструмент для 1D моделирования - Amesim. Это дает возможность при разработке сложных систем и объектов проводить расчеты в режиме ко-симуляции , интегрируя 1D и CFD.
2. Ansys Fluent. Один из самых популярных и мощных инструментов. Прекрасно подходит для кейсов, где нужно объединить расчеты CFD и прочности.
3. COMSOL - микрогидродинамика, молекулярные течения и течения в пористых средах, акустика.
4. CADFlo (FLOefd): отечественное программное обеспечение для численных расчетов CFD. Позволяет работать в режиме косимуляции с пакетами от западных производителей.
Опыт Артматики в численных расчетах CFD
Мы стараемся размещать информацию о выполненных расчетах в разделе Проекты, но не всегда успеваем сделать это оперативно, уделяя ключевое внимание новым задачам Заказчиков. Поэтому часть материалов кратко приводим здесь.Взаимодействуя с проектно-конструкторским бюро судостроения, выполнили CFD расчет кривой буксировочного сопротивления баржи на скоростях от 10 до 16 узлов. Расчеты верифицированы с результатами натурных испытаний в специальном бассейне НИИ Крылова, Санкт-Петербург.
Ряд работ по CFD моделированию газоочистных систем, скрубберов, факелов и горелочных систем.
Различные типы насадок в скруббере (демистры, диспергирующие и тарельчатые решетки) по интенсификацию процесса абсорбции и мокрой пыле-газоочистки с масштабированием на реальную конструкцию. Например, одной из самой сложных конструкций является демистр, состоящий из нескольких гофрированных металлических сеток, который служит для многоступенчатого процесса очистки газов с регенерацией исключающего процесса адгезии.
Каплеуловители (Коалесцеры, Центробежные и Волновые сепараторы, Сетчатые). Разработана модель сетчатого каплеуловителя с определяющими свойствами смачивания (Lagrange c деформацией, разбиением и коагуляцией капель, а также прилипанием с помощью установки Bai-ONERA, т.е. весь комплект модели LMP + FluidFilm + VOF с режимами захлебывания:
Так же проведено моделирование капель жидкости, содержащих твердые частицы, увеличивающаяся со временем объемная доля твердых частиц в капле, которая препятствует удалению влаги (полезно для имитации капель молока при распылительной сушке):
Форсунки разного типа конструкции (жидкостные, пневматические, распылительные) с определением угла раскрытия факела и дисперсности капель по их геометрическим характеристикам. Разработана математическая модель жидкостной форсунки подачи струи воды вверх.
Моделирование газодинамических процессов в выпускном коллекторе. Разработана методика численного моделирования в режиме ко-симуляции между Simcenter Amesim и STAR-CCM+. Проведена симуляция работы системы в переходном режиме в течении 2-3 циклов работы коленчатого вала. Проведена оптимизация конструкции выпускного коллектора. Получены распределения скорости, температуры, давления потока в газодинамическом тракте
Численное моделирование газодинамики компрессора ГПА
CFD расчет крупногабаритных вентиляторов градирен охлаждения
CFD расчет внутренней аэродинамики модуля охлаждения. Разработка методики численного моделирования течения воздуха внутри аппарата воздушного охлаждения. Интеграция Simcenter Amesim и Star-CCM+ для проведения расчетов в режиме ко-симуляции.
Численное моделирование возгорания топлива
CFD моделирование розжига в многофорсуночной камере сгорания. Разработана методика численного моделирования процесса розжига мало-эмиссионной лабораторной камеры сгорания с применением современных методик ПО ANSYS Fluent. Проведена верификация численного решения по результатам физических экспериментов по данным научных статей. Приведен график энерговыделение в камере сгорания на этапе розжига. Результаты расчета на сетках с 8 и 21 млн. ячеек. Момент инициирования – 1,0 с
