Методы компьютерного моделирования сплошных сред

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:

1. Постановка задачи исследования на основе экспертного анализа.
2. Выбор метода расчета.
3. Разработка физической модели.
4. Выбор расчетного кода.
5. Выбор и построение расчетной области.
6. Разработка компьютерной модели.
7. Валидация результатов численного моделирования.
8. Верификация результатов численного моделирования.
9. 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).

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.

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.

Cfd программа что это такое

Autodesk CFD – это CAE-система, предназначенная для расчетов и моделирования движения потоков жидкостей и газов, а также процессов теплопередачи и тепломассообмена. Программа полностью соответствует российским национальным стандартам ГОСТ и СНИП, имеет все необходимые сертификаты соответствия.

Полная информация о поведении потока жидкости и газа

С Autodesk CFD вы получите исчерпывающую информацию о поведении потоков жидкости или газа, включающую параметры, необходимые для оптимизации и совершенствования изделий, такие как температура, давление и т.д.

Мощные инструменты для оптимизации

Как обуздать ветер, как сдержать воду? Невероятно, но инструменты оптимизации, входящие в состав Autodesk CFD, действительно дают контроль над стихиями для совершенствования изделий. Расчет свободной поверхности, контроль температурных режимов, HVAC-моделирование – это лишь малая доля объектов для оптимизации с использованием Autodesk CFD.

Расчеты на земле и в облаке

CFD-расчеты требуют времени. Позвольте облачным ресурсам взять на себя вычислительную нагрузку. С Autodesk Cloud вы сможете уделить время другим важным делам за вашим компьютером, в то время как удаленные серверы выполняют CFD-задачу.

Упрощение геометрии во Fusion 360

Успешное решение CAE-задачи требует качественной подготовки геометрии. Одним кликом вы можете передать модель во Fusion 360 для её редактирования. Зачем изобретать новое, когда есть простое и эффективное? Autodesk CFD и Fusion 360 эффективно дополняют друг друга для проверки любых инновационных идей.

Выбор лучшего решения из нескольких вариантов

Autodesk CFD заточен под оперативное решение производственных задач силами конструкторов, а не на научные изыскания. Поэтому для быстрого выбора лучшего решения используйте вывод разных типов результата с помощью одновременного отображением нескольких решений.

Анализ помещений и зданий

Небольшая серверная комната или жилой микрорайон – с Autodesk CFD вы получите точную картину распределения воздушных потоков. Для вас нет преград по использованию этого инструмента в архитектурных задачах.

Температурный режим в электротехнике

Мельчайшие детали электронного устройства могут быть заменены на аналогичные модели, которые содержатся в библиотеке Autodesk CFD. Анализ температурного режима даст вам гарантию в долговечности работы прибора.

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.

При подготовке материала использовались источники:

https://www.pointcad.ru/product/autodesk-simulation-cfd/
https://neftegaz.ru/tech-library/gidrotekhnika/141978-cfd-modelirovanie/