Autodesk Simulation CFD

Autodesk Simulation CFD

AUTODESK Simulation CFD je moderní aplikací od Autodesku. Představuje flexibilní nástroj k simulaci proudění tekutin s přestupem tepla v řadě technických aplikací. Výrazně urychluje práci konstruktéra, který s využitím nástroje Simulation CFD může pružně a flexibilně optimalizovat návrh konstrukce s tím, že provede analýzu chování produktu s hlediska hydraulického a energetického zatížení před samotnou výrobou. Tímto přístupem se razantně zkracuje fáze vývoje nového produktu. Flexibilní možnosti umožňují pracovat na místním počítači nebo pomocí cloudu, tzn. sdílet výkonné pracovní stanice, a tímto způsobem získat další výpočetní kapacitu.
 

Co představují CFD simulace

S pojmem simulace se řada konstruktérů a projektantů postupně dostává do čím dál bližšího kontaktu. Pojem simulace ve spojení s CFD („Computer Fluid Dynamics“) znamená oblast, která se zabývá vyšetřováním pohybu a dynamika proudící tekutiny pomocí výpočetních nástrojů a aplikací. Stručně řečeno pomocí Simulation CFD lze proudění vizualizovat. V praktickém uplatnění si lze použití Simulation CFD představit ve fázi, kdy konstruktér má hotový produkt. V následné fázi si chce ověřit, otestovat jeho vlastnosti za provozních podmínek před samotnou výrobou. Význam CFD si lze vysvětlit např., kdy konstruktér bude mít navržený potrubní systém pro dané parametry. Z výsledků Simulation CFD bude schopen zjistit zatížení potrubního systému od proudící tekutiny (kapalina, plyn), a tedy bude mít informaci, jestli potrubí není předimenzováno nebo poddimenzováno. Dále bude schopen vyhodnotit kritické místa v potrubním systému. Spočíst tlakovou ztrátu určitých úseku nebo celého systému, a popřípadě dojít i k závěru, že navržený zdroj tlaku je nedostačující. Další možnosti, kterou konstruktér může vhodně využít v Simulation CFD je rozšíření problematiky o přestup tepla. Tzn. proudící tekutina bude mít definovanou teplotu na vstupu popřípadě v potrubním systému bude umístěn externí zdroj tepla. Všechny tyto vlivy lze následně do simulace definovat a konstruktér opět provede podrobnou analýzu i s ohledem na teplotní zatížení potrubního systému. Tím dostává další informace o teplotním poli, které muže velmi snadno predikovat. Podle teplotní analýzy může např. vhodně rozhodnout o použití příslušného materiálu těsnění.

Primární použití Simulation CFD je zaměřeno do oblasti hydrauliky a energetiky. Kromě toho je použití programu Simulation CFD zaměřeno i do dalších oborů a oblasti technické praxe.

Stručný výčet CFD aplikací v hydraulice:

  • Proudění v hydraulických prvcích (ventily, rozváděče, šoupátka, čerpadla,..)
  • Proudění v mazacích agregátech, v hydrostatických ložiskách
  • Proudění plynných směsi
  • Vícefázové proudění (kombinace látek plyn-kapalina-pevné částice)

 Stručný výčet CFD aplikací v energetikce:

  • Proudění spalin s přestupem tepla
  • Sdílení tepla při proudění ve výměnících tepla
  • Sdílení tepla radiaci při proudění

Ukázka simulace proudění ve výměníku tepla (znázorněné proudnice tělesem výměníku)

CFD.jpg

Proudění kapaliny v hydrodynamickém čerpadle (proudění v oběžném a rozváděcím kole čerpadla)

cfd-software.jpg

 

 

Charakteristika Simulation CFD

Obecná filozofie práce v aplikaci Simulation CFD je rozdělena do několika základních kroků, které jsou společné prakticky pro všechny typy zkoumaných dějů. Pojem zkoumaný děj představuje např. proudění kapaliny v oběžném kole čerpadla, vyšetřování sdílení tepla ve výměnících, proudění vzdušiny nebo spalin v potrubním systému, atd. Hlavní myšlenkou CFD simulací je vyšetřování zkoumaných dějů v reálných prvcích a zařízeních a sledovat odezvu na tyto zařízení, které lze na základě podrobné analýzy výsledků optimalizovat podle definovaných parametrů a veličin.

simul4.gif

Práce v prostředí aplikace Simulation CFD je systematicky rozdělená do jednotlivých dílčích fázi:

Konstrukční model (prvku/zařízení) → výpočtový model pro CFD simulaci → výpočtová síť →  CFD simulace → vyhodnocení CFD simulace

Konstrukční model (prvku/zařízení) představuje klasický konstrukční 3D model zkoumaného prvku/zařízení, ve kterém budeme chtít vyšetřovat charakter proudění (např. kulový ventil). Konstrukční model může být vytvořen v některém z nabízených CAD programu AUTODESKU jako například Autodesk Inventor, AutoCAD, atd. Kromě toho Simulation CFD podporuje celou řadu dalších CAD programu od jiných společnosti.

cfd model  

Konstrukční model                                                      Výpočtový model

Výpočtový model pro CFD simulaci je pro výpočtáře CFD (uživatel Simulation CFD) objem/prostor kudy proudí zkoumána tekutina (plyn/kapalina). Tzn., představuje to „negativ“. Máme kulový ventil se všemi komponenty (pružina, ovládací klika, atd..). To vše pro CFD analýzu je nepodstatné. Pro výpočtáře je finálním modelem vnitřní objem, který dostaneme tak, že vnitřní objem vylijeme. Taky se dá říct, že to co je pro konstruktéra podstatné, tzn. železo je pro CFD výpočtáře relativně nepodstatné. Takovýto model pro Simulation CFD jsme schopni opět vytvořit v libovolném CAD programu od AUTODESKU.

Výpočtová síťje tzv. konečno-prvková síť, kdy v jednotlivý uzlech (bodech) jsou vyhodnocovány počítané proudové veličiny (rychlost, tlak, teplota, průtoky, toky tepla, atd..). Takže výpočtový model pro CFD simulaci je v pojetí CFD analýzy pouze prostředníkem k vytvoření výpočetní sítě uvnitř výpočtového modelu. Tzn., výpočetní síť vyplní vytvořený model výpočtové domény, kde bude řešen numericky definovány fyzikální děj. 

 

  Konečno-prvková síť                                               Konečno-prvková síť v kulovém ventilu

Konečno-prvková síť je plně vytvářená v prostředí aplikace Simulation CFD. Lze využit celou řadu nástrojů tvorby výpočetní sítě. Tím jsou myšleny plně automatizované nástroje, kdy je předefinovaná konstantní velikost elementů v celé výpočtové oblasti. Postupem času, jak CFD výpočtář získává zkušenosti ze simulací, tak zjišťuje, že je třeba věnovat zvýšenou pozornost tvorbě výpočtové sítě (tzn. určité oblasti, které jsou podstatné z hlediska proudění, musí být pokryty výrazně jemnější výpočetní sítí). S tím souvisí použití ručních nástrojů tvorby výpočetní sítě. V prostředí aplikace Simulation CFD je široké spektrum těchto nástrojů, se kterými si CFD výpočtář při práci vystačí. Lze vytvářet např. různé varianty mezních vrstev, atd..

adaptive_meshing_large_900x486.jpg

CFD simulaceje fáze realizace vlastní numerické simulace v prostředí CFD Simulation. Vlastní simulaci je myšleno vyšetřování proudového, teplotního pole ve zkoumaném prvku/zařízení. Tato fáze v sobě slučuje několik etap, které jsou opět charakteristické pro jakoukoliv simulaci. Tzn., máme výpočtový model s výpočetní síti, a chceme realizovat simulaci. Pod dílčími etapami realizace simulace je třeba si představit to, že máme proudění tekutiny (kapalin - voda, olej,.. plyn - vzduch, spaliny, kyslík,…). Dále tekutina vstupuje do zkoumané výpočetní oblasti (např. do potrubí s kulovým ventilem) o definované rychlosti/tlaku/průtoku/teplotě a následně z této oblasti vystupuje opět o definovaných parametrech. Vstupní a výstupní průřez, kterým tekutina prochází, jsou společně pojmenovány jako okrajové podmínky. Takto popsaný výčet kroků je nutné definovat v prostředí CFD Simulation pomocí nástrojů:

- Materials (Fyzikální vlastností proudících tekutin, je možné definovat konstantní fyzikální vlastnosti, nebo funkční závislosti na teplotě zejména v případech proudění spalin. Výhodou aplikace CFD Simulation je relativně obsáhla databáze materiálu včetně již předdefinovaných hodnot hustoty, viskozity, měrné tepelné kapacity, teplené vodivosti, …)

- Boundary Conditions (Vstupní a výstupní okrajové podmínky proudících médii. Je možné definovat rychlostní, tlakovou a průtokovou okrajovou podmínku. Typ zvolené okrajové podmínky závisí často na provozních informacích popřípadě na změřených datech. Např- průtokovou okrajovou podmínkou je myšlen objemový nebo hmotnostní průtok.)

Kromě těchto základních okrajových podmínek jsou k dispozici ještě teplotní okrajové podmínky. Tato podmínka souvisí s teplotou proudícího média na vstup do výpočetní oblasti a dále taky s teplotními podmínkami na stěně, kdy lze definovat teplotu, tepelný tok nebo součinitel přestupu tepla.

    okrajové podmínky cfd   

Okrajové podmínky (Boundary conditions)

Nástroj Materials je primárně určen k definování fyzikálních vlastnosti proudících médii nebo pevných materiálu stěn. Druhou možnosti nástroje Materials je definování určitých zařízení jako jsou ventilátory, čerpadla, kompresory, výměníky tepla, filtry pomocí jakoby bloků s definovanými charakteristikami. Tzn. např. ventilátor v místnosti, který představuje relativně složité konstrukční zařízení (otáčející se lopatky) nebude vytvořen jako podrobný model, ale jako zjednodušený objem (válec) s tím, že je nutné definovat přesnou charakteristiku ventilátoru. Výrazně se nám zjednoduší výpočtový model pro CFD simulaci. Tzn., zařízení jsou speciální materiály, které představují pracovní charakteristiky složitých komponent během simulace CFD. Použití zařízení umožňuje dosáhnout požadovaného výsledku daleko praktičtější cestou. Ovšem ne na úkor celkové přesnosti výsledků simulace, která musí být dodržena.

cfd

Pokud bychom ovšem chtěli zmapovat proudění uvnitř ventilátoru s ohledem např. na optimalizaci tvaru lopatek, tak je nutné vytvořit detailní model ventilátoru jako výpočtový model pro CFD simulaci. Dalším použitím zařízení jsou odpory, které se používají k omezení průtoku kapaliny (filtry, difuzéry, mřížky). Opět pomocí vhodného nástroje Materials vybereme typ odporu, kde budeme definovat odpovídající tlakovou ztrátu, propustnost a další parametry. 

cfd

Jednotlivé nástroje definující problematiku a tedy fyzikální podstatu zkoumaného děje jsou v prostředí aplikace CFD Simulation přehledně členěny, a tedy i pro uživatele dobře dostupné. Takže postup definování lze interpretovat jako Step by Step. Dále v prostředí nechybí ani tzv. stromové uspořádání jednotlivých provedených příkazu, které uživatel může kdykoli editovat a upravovat podle potřeb dané simulace.

cfd

 

Spuštění simulace (fáze před vyhodnocením simulace)

Dostali jsem se do fáze nastavení CFD simulace. Znamená to, že máme kompletně nastavený fyzikální model postihující děje související s prouděním a případně sdílením tepla. Před očekávaným vyhodnocením numerické simulace (např. jak vypadá rozložení rychlosti, tlaková ztráta ve zkoumaném prvku/zařízení - to co výpočtář očekává) je nutné provést několik dílčích kroků. Prvně je třeba si uvědomit, že simulace představují numerické výpočty, které se realizují s využitím výpočetní techniky (tedy počítače). Aplikace CFD Simulation využívá metody konečných prvků, která je založena na výpočtu veličin (tlak, rychlost, teplota, …) v jednotlivých uzlech výpočetní sítě. Detailně není smyslem zabývat se numerickými metodami a jednotlivými přístupy. Stručně řečeno jedná se o iterační metodu, kdy v jednotlivých uzlech sítě se počítají tisíce rovnic, a neustále se propočítávají veličiny (tlak, rychlost, teplota, …) s cílem dosažení požadované přesnosti. Takže složitost modelu může způsobit, že numerický výpočet může zaujímat výpočetní čas počítače v řádu minut nebo i dnů než je dosaženo požadovaného výsledku. Velkou výhodou Simulation CFD je možnost realizace numerických výpočtu na vzdáleném výpočetním serveru. Možnosti realizace simulace v prostředí CFD Simulation je tedy dvojí (varianta výpočtu na stolním počítači a varianta na vzdáleném serveru taky označováno jako na CLOUDU). Nespornou výhodou CLOUDU je, že nedochází k zatížení stolního počítače.

Vyhodnocení CFD simulace představuje finální fázi realizace CFD simulace. Interpretace výsledků lze v prostředí CFD Simulation realizovat různými možnostmi. Typické znázornění výsledků numerické simulace je v podobě rozložení (vyplněné kontury) počítaných veličin jako je tlak, rychlost, teplota a další veličiny. V podstatě se jedná o vizualizaci proudového pole ve zkoumaném prvku/zařízení. Průběh rychlosti při průchodu ventilem je graficky znázorněn pomocí vyplněných kontur a vektoru rychlosti. Z kontur rychlosti jsou patrné velikosti rychlosti při průchodu. Následně z vektorů rychlosti je patrný směr proudění skrz ventil. Z výsledků lze velmi vhodně vytipovat kritické místa ve ventilu např. zavíření  

Kontury rychlosti 20-Q1.jpg Vektrory rychlosti 20-Q1.jpg

 

Výsledky CFD simulaci lze tedy prezentovat graficky (kontury, vektory), číselně nebo pomocí grafů. Číselná interpretace představuje vyhodnocení středních hodnot tlaků, rychlosti. Dále lze vyhodnocovat průtoky (hmotnostní, objemový průtok) jednotlivými oblastmi proudění. Popřípadě toky tepla stěnami, atd. Nejčastější varianta vyhodnocení je pomocí grafického zobrazení základních proudových veličin. Na obrázcích níže je vyhodnoceno tlakové pole v oběžném a rozváděcím kole hydrodymického čerpadla, teplotní pole na elektronických prvcích základové desky počítače. Dále lze například zobrazit rychlostní pole kolem obtékané budovy nebo trajektorie pevných částic, které jsou unášeny v proudovém poli.

cfd  

Tlakové pole v čerpadle                     Teplotní pole na komponentech základní desky PC

 

cfd-cad_idealization.jpg        

Obtékání budovy (rychlostní pole)

cfd cfd

Trajektorie proudících pevných částic                  Vyhodnocení ve formě grafu

 

Kromě grafických výstupu pomocí vyplněných kontur lze výsledky interpretovat i ve formě grafů. Podoba vyhodnocení simulace v CFD Simulation je velmi pestrá, a je vždy na uživateli zvolit odpovídající formu prezentace výsledků. Více informací včetně tutoriálových příkladů, videi a popisu lze najít na stránkách Autodesk.


Rádi Vám pomůžeme s Vašimi výpočty,proto nás neváhejte kontaktovat.