Was ist CFD-Simulation?

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Was ist eine CFD-Simulation?

In diesem Artikel beschäftigen wir uns mit dem Verständnis der CFD-Simulation im Allgemeinen, indem wir die verschiedenen Schritte, die den verschiedenen Simulationstypen (Klimatechnik, Hydrologie, Wärmeübertragung, Ausbreitung von Schadstoffen, Brandschutz…) gemeinsam sind, detailliert erläutern.

Definition von CFD

Der Erfolg einer CFD-Simulation [computationnal fluids dynamics] unbedingt durch: ein Verständnis der Herausforderungen des Modells; durch die vollständige Beschreibung der Geometrie des Bauwerks ; die Entwicklung eines geeigneten Netzes an die Morphologie des Bauwerks, indem es in den Bereichen, in denen Gradienten der gesuchten Größen auftreten können, verdichtet wird; die rigorose Untersuchung der Rand- und Anfangsbedingungen, unter Berücksichtigung der einflussreichsten lufttechnischen oder hydraulischen Mechanismen. Und schließlich eine strenge und kritische Lektüre der Ergebnisse durch qualifizierte Ingenieure entsprechend dem untersuchten Problem.

Warum CFD-Simulation?

CFD, ein Akronym für „Computational Fluid Dynamics“, ist ein Ingenieurwerkzeug, das zum sogenannten computergestützten Engineering (CAE) gehört. Genauer gesagt bezieht sich CFD auf die Simulation der Strömung von Flüssigkeiten unter Berücksichtigung der beteiligten physikalischen und chemischen Phänomene (wie Turbulenzen, Wärmeübertragung oder chemische Reaktionen).

Eine Alternative zum Windkanaltest

Die Tests im Windkanal

Bei Windkanalversuchen geht es darum, die Wechselwirkung zwischen turbulentem Wind und Strukturen nachzubilden . Bei strukturell steilen Bauwerken können die aerodynamischen Belastungen an starren Modellen abgeschätzt werden.

Windkanaltests wurden in den letzten fünf Jahrzehnten in großem Umfang für Anwendungen im Industrie- und Tiefbau eingesetzt.

Tests im Windkanal erfordern eine teure Einrichtung und hochentwickelte Instrumentierung , um eine Reihe von Feldvariablen (Windgeschwindigkeit, Drucklasten, Turbulenzintensität usw.) zu messen. Seine Hauptbeschränkung besteht darin, dass solche Maßnahmen nur an wenigen bestimmten Punkten des Testabschnitts erhalten werden, was schränkt das Gesamtverständnis erheblich ein evolutionäre oder transiente Prozesse komplexer instationärer Phänomene (wie z. B. das Vortex-Schreddern, Turbulenzwirbel und thermische Schichtung).

Untersuchung der natürlichen Belüftung in einem Windkanal

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Studie im Eiffel-Windkanal - Credit @AirDesignLab

CFD: eine Toolbox-ähnliche Evolution

CFD bietet viele Vorteile gegenüber Windkanaltests. Neben der Generierung von Simulationen im realen Maßstab (anstelle von Modellen im verkleinerten Maßstab für viele physikalische Simulationen) liefert es auch ergänzende Daten und ermöglicht den Vergleich der Windgeschwindigkeiten gleichzeitig zwischen zwei Punkten für einen bestimmten Wind. Es ist möglich, hydrologische, lufttechnische oder thermische Studien in verschiedenen Maßstäben durchzuführen: von der Mikroelektronik bis hin zu Studien von Gebäuden und Städten. Die Ergebnisse können besser visualisiert und möglichst vielen Menschen erklärt werden.

CFDs - ein sehr breites Anwendungsspektrum

Mit diesen Methoden lässt sich eine sehr breite Palette von Problemen lösen, die wir weiter unten vorstellen werden.

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Was kann der Einsatz von CFDs bewirken?

Dank Simulation die Gestaltung eines Verfahrens oder eines Produkts verbessert werden kann, ohne auf den Bau von Prototypen zurückzugreifen (zeit- und kostenintensiv ); Fehlentscheidungen können vermieden werden, und es wird ein besseres Verständnis des Prozesses oder des Produkts erreicht, das es ermöglicht, die richtigen Entscheidungen zu treffen.schnelleres Vorankommen im Entwurfsprozess (Auswahl der besten Lösungen) sowie lösen Probleme, die in bereits laufenden Anlagen oder Prozessen auftreten.

Daher kann der Rahmen eines physikalischen Problems gestellt werden, es kann in numerischer Simulation CFD untersucht werden.

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Überblick über das CFD-Modell

Wie ist ein CFD-Projekt organisiert?

Wie lange sollte ich für ein CFD-Projekt einplanen?

Im Allgemeinen umfasst ein Strömungssimulationsprojekt eine vorherige Untersuchung des Prozesses / Phänomen zu analysieren, die Erstellung eines detaillierten geometrischen ModellsDie Auswahl (und ggf. Implementierung) von geeignete mathematische ModelleDie Anwendung von Betriebsdaten wie RandbedingungenDie Schülerinnen und Schüler können in der Regel nicht mehr als ein paar Minuten rechnen. einige Tage(z. B. je nach Komplexität der Berechnung) und die Analyse der Ergebnisse.

Daher erfordert die korrekte Durchführung eines CFD-Projekts trotz der Tatsache, dass in den letzten Jahren Anwendungen entwickelt wurden, die die Nutzung erleichtern, Erfahrung und eine erhebliche Investition in Ressourcen.

Definition des Untersuchungsproblems

Bevor wir mit einer Designstudie beginnen, müssen wir Ihnen einige wichtige Fragen stellen. Diese Fragen sind entscheidend für die Bestimmung der Geometrie, mit der wir die Analyse beginnen, der Teile Ihres Designs, auf die wir uns konzentrieren, und der Parameter, die wir nach Abschluss der Analyse beobachten sollen.

Nachdem diese Fragen beantwortet sind, die das Verständnis der Herausforderungen verbessern, wird hier der CFD-Modellierungsprozess, der allen Projekttypen gemein ist, detailliert beschrieben.

Vorbereitung des 3D-Modells

Wie wird das 3D-Modell der CFD-Studie erstellt?

Eine effektive Simulation beginnt mit guten Modellierungstechniken sowohl im Hinblick auf die Integrität des Modells als auch auf die angemessene Erstellung verschiedener Fluidströmungsregionen und die Optimierung der Vernetzung. Der erste Schritt besteht darin, ein Modell für die Analyse der Flüssigkeitsströmung zu entwerfen. Das bedeutet, die Geometrie, in der die Strömung stattfindet, zu modellieren und das Modell für die Simulation zu optimieren.

Optimieren Sie das Modell für die Simulation

Problematik :
Die Geometrie auf Produktionsebene kann Lücken, Lücken und Details enthalten, die aus vielen kleinen Elementen bestehen, die sich nachteilig auf die CFD-Simulation auswirken.
Diese Merkmale sind häufig für die Fertigung erforderlich, können jedoch die Simulation unnötig komplex machen. Es geht also darum, nur die Elemente auszuwählen, die für die zu behandelnde Problematik von Bedeutung sind.

Methodik :
Um Zeit und Rechenressourcen zu sparen, reduzieren wir die Teile des Modells, die zu klein sind, um die Simulationsergebnisse zu beeinflussen.
Bei großen Baugruppen behalten wir nur die kritischen Teile des Designs bei. Dadurch wird der Lösungsprozess beschleunigt.
In manchen Fällen werden wir eine neue, vereinfachte Version Ihres Entwurfs neu erstellen, um uns auf die wichtigsten Lernbereiche zu konzentrieren.

Die verschiedenen Schritte zur Reparatur der Geometrie des 3D-CFD-Modells :
Beseitigen Sie Zwischenräume, die das Füllen von Hohlräumen verhindern. Dabei handelt es sich in der Regel um Spielräume zwischen Räumen, Löcher für Bohrungen, Tischlereinbauten für Gebäude ...
Reduzierung sehr großer Baugruppen auf nur noch lebenswichtige Komponenten.
Beseitigen Sie Lücken zwischen nicht angrenzenden Elementen.

Vorbereitung des 3D-CFD-Modells auf die Netzoptimierung

Um die Bewegung von Flüssigkeiten in einem Entwurf zu untersuchen, muss es ein Modell der Strömungsregion geben. Diemeisten 3D-Modelle enthalten diese Funktion nicht standardmäßig, sodass Sie sie mit Software erstellen müssen, die das ursprüngliche 3D-Modell ergänzt. Andererseits geht es auch darum, das Modell auf die Optimierung der Maschenweite in Gebieten mit hohem Einsatz vorzubereiten. So fügen wir 3D-Teile hinzu, die in den Renderings und in den CFD-Studien unsichtbar sind und die dazu dienen, das Netz in den Strömungszonen, die in der CFD-Studie erfasst werden sollen, genau zu verfeinern.

Was ist Mesh? (und warum ist das wichtig?)

Die Generierung des Netzes (3D) ist eine wichtige Phase in einer CFD-Analyse, da sie Einfluss auf die berechnete Lösung hat. Um ein präzises, robustes und aussagekräftiges Berechnungsergebnis zu erhalten, ist ein Netz von sehr guter Qualität unerlässlich .

Finite-Elemente-Berechnungen

Bevor eine CFD-Simulation ausgeführt wird, wird die Geometrie in kleine Stücke, die sogenannten Elemente, unterteilt. Die Ecke jedes Elements ist ein Knoten. Die Berechnung wird an den Knoten durchgeführt. Diese Elemente und Knoten bilden das Netz.

In dreidimensionalen Modellen sind die meisten Elemente Tetraeder: ein vierseitiges Element mit einer dreieckigen Fläche. In zweidimensionalen Modellen sind die meisten Elemente Dreiecke.

Mesh-Struktur

Dabei wird zwischen strukturiertem und unstrukturiertem, orthogonalem oder freiem Netz unterschieden. Bei einem strukturierten 3D-Netz erfolgt die Berechnung schneller, da keine Zusammenstellung einer Verbindungsmatrix erforderlich ist. Bei einem unstrukturierten Netz ist dies nicht der Fall. Letzteres hat den Vorteil, dass es möglich ist, beliebige Geometrien zu vernetzen. Andererseits kann die Erstellung und Speicherung der Matrix die Berechnung stark verlangsamen. Dieser Netztyp wird für komplexe Geometrien mit Kurven oder einer großen Anzahl von Elementen verwendet.

Feste Volumina erfordern wenige Elemente , im Gegensatz zu flüssigen Volumina, die eine präzise Verfeinerung erfordern , da sie sich nicht von einer Parallelepiped-Geometrie entfernen können; tatsächlich besteht für die Winkel der stark verformten Elemente die Gefahr, dass die Berechnung nicht konvergieren kann.

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Visualisierung des Einflusses der Vernetzung auf die Auflösung von CFD-Studien

Netzdichte

Hinsichtlich der Dichte des Netzes gilt es , einen Kompromiss zwischen Rechenzeitaufwand und gewünschter Genauigkeit zu finden. Es ist sinnlos, das Netz zu verdichten und folglich die Anzahl der Iterationen zu erhöhen, wenn die Genauigkeit bei einer begrenzten Anzahl von Elementen ausreicht.

Prinzip der Anpassung der Maschenweite

Die Qualität des Netzes hat einen gravierenden Einfluss auf die Konvergenz , die Genauigkeit der Lösung und insbesondere auf die Rechenzeit. Eine gute Netzqualität basiert auf der Minimierung der „Verzerrungen“ aufweisenden Elemente und einer guten „Auflösung“ in den Bereichen mit starkem Gradienten (Spalt, Grenzschichten, Rezirkulation etc.).

Das Netz wird in den kritischen Untersuchungsbereichen so fein wie möglich angepasst . Dadurch werden makroskopische Phänomene (Gebäudevolumetrie), die Strömungsrohre durch den Venturi-Effekt kanalisieren, berücksichtigt und gleichzeitigkleinräumigere lufttechnische Phänomene (Luftdiffusion)korrekt erfasst.

Wie werden CFD-Randbedingungen definiert?

Anfängliche Bedingungen

Die Anfangsbedingungen repräsentieren die Eigenschaften der Strömung in Bezug auf Geschwindigkeit und Position der freien Oberfläche zu Beginn der Simulation. Wenn die Berechnung mit zufälligen Werten beginnt, kann die Simulation schnell auseinander gehen. Um nicht zu weit von realistischen Ergebnissen abzuweichen und die Rechenzeit zu optimieren, werden die Anfangsbedingungen bereits im Vorfeld der CFD-Studie untersucht und ausgewählt.

Bedingungen an den Grenzen

Das Studium der Randbedingungen ist in einer Modellierung bestimmend, man kann die Randbedingungen als Hypothesen der Simulation zusammenfassen. Dies ist der für den Erfolg der Studie entscheidendste Schritt. Die Schaffung der projektspezifischen Randbedingungen muss zu Beginn des Auftrags detailliert untersucht werden.

Auflösungsmethode

Auswahl des Turbulenzmodells

Der Begriff des Turbulenzmodells ist insbesondere in der Strömungsmechanik zu finden. Es ermöglicht, die verschiedenen Strukturen, die in einem Fluss koexistieren, zu katalogisieren und ihnen eine bestimmte Bedeutung innerhalb des Flusses zu geben.

Vergleichende Studien von Turbulenzmodellen von Combes[2000] haben es ermöglicht, das Modell mit zwei Transportgleichungen k-ε als das für generalistische Strömungen am besten geeignete Modell zu bezeichnen. Es ist eines der am weitesten verbreiteten, effizientesten, einfachsten und am besten validierten Modelle. k repräsentiert die turbulente kinetische Energie und ε die Dissipationsrate der turbulenten kinetischen Energie. Logischerweise werden wir es für die meisten Fluidsimulationen in der Thermoaerautik und Hydrologie verwenden, aber wir können andere Turbulenzmodelle für bestimmte Simulationen auswählen.

Methode der Berechnung

Die numerische Lösung wird durch die Linearisierung und Diskretisierung der gesamten Erhaltungsgleichungen geführt, was die Unterteilung des Rechengebiets in eine Anzahl von nicht zusammenhängenden endlichen Volumina (Mesh) erfordert. Die Auflösung der Studie besteht in der Auflösung des nichtlinearen Gleichungssystems von Navier-Stokes auf CFD-dedizierten Computerservern.

Visualisierung der Ergebnisse

Grafische Übersichten

Die Strömung eines Fluids in einem Volumen ist in der Regel komplex und enthält viele Rückführungen mit niedriger Geschwindigkeit, was die Visualisierung auf einer Ebene schwierig macht. Wir berichten über die auffälligsten Phänomene anhand von Plänen/Situationsabschnitten und sehr vollständigen Erklärungen.

Wir verfügen über eine große Auswahl an Darstellungen (Stromrohr, Vektorfelder, Isoflächen usw.), die es uns ermöglichen, die im technischen Bericht identifizierten aerodynamischen Phänomene am besten zu transkribieren .

Die Interpretation der Ergebnisse erfordert die Beherrschung der CFD-Analysesoftware, vor allem aber physikalische Fähigkeiten und Kenntnisse des analysierten Produkts, um die verschiedenen Phänomene genau erklären zu können.

Grafische Übersichten

Gemäß unserem Feedback werden für die auffälligsten Elemente Videos erstellt, die die verschiedenen Ansichten des CFD-Modells auf dynamische Weise zeigen. Das technische Briefing, das sich auf diese Videos beziehen kann um das Lesen zu erleichtern. Tatsächlich erweisen sich bestimmte Phänomene auf dem Plan als schwer verständlich.

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Visualisierung der Ergebnisse

Vorteile der CFD-Simulation

Modelle können in ihrer Gesamtheit simuliert werden und ermöglichen die gleichzeitige Analyse der Auswirkungen zahlreicher Phänomene
Simulationen liefern Messdaten für jeden beliebigen Punkt (des Rasters).
Viele Parameter können gespeichert werden, die in Experimenten nicht zugänglich sind, Designs können gesichert werden.
Zu Beginn des Designprozesses kann eine große Anzahl von Prototypen simuliert werden, um schnell Informationen für die Systemoptimierung zu sammeln.
Simulationen können zu einem besseren Verständnis des Problems beitragen, um relevante technische Lösungen zu entwickeln
Die Integration von CFD-Simulationen in die Designprotokolle bedeutet, ein Expertenteam zu integrieren, das bei der Lösungssuche einen anderen Blickwinkel einnehmen wird.

Nachteile der CFD-Simulation

Diese Probleme werden durch die Erfahrung, die die Ingenieure von EOLIOS bei zahlreichen Projekten gesammelt haben, deutlich verringert. Es ist wichtig, diese Art von Studie mit einem qualifizierten Team durchzuführen.

Wie viel kostet eine CFD-Simulation?

Ok, wir geben Ihnen Recht, CFD ist nicht das billigste Engineering-Tool (im Vergleich zu einer Standard-CAD-Anwendung oder -Tabellenkalkulation), wenn man die Komplexität und die Anforderungen (Erfahrung, Lizenzen, Rechenressourcen) bedenkt.

Andererseits sind die Ergebnisse, die diese Art von Studie bietet, und ihr Beitrag zu einem Design- oder Problemlösungsprozess nicht mit denen vergleichbar, die mit einfacheren Werkzeugen erzielt werden.

Die Verkürzung der Designzeit, die Einsparungen beim Prototypenbau und die Verbesserung des Prozesses oder des Produkts machen die Kosten der CFD-Simulation in der Regel wieder wett.

Wir bieten Missionsprotokolle an, die an jedes Budget angepasst sind.

Wenn Sie, nachdem Sie dies gelesen haben, der Meinung sind, dass Ihr Projekt von CFD-Tools profitieren könnte, kontaktieren Sie uns bitte und wir werden Ihnen ein klares und detailliertes Studienprotokoll vorlegen.