Dinamica computationala a fluidului

Analiza computațională a dinamicii fluidelor a navetei spațiale

Dinamica computațională sau numerică a fluidelor (denumită pe scurt CFD , Computational Fluid Dynamics în engleză ) este o metodă care utilizează analize numerice și algoritmi pentru a rezolva și analiza problemele de dinamică a fluidelor folosind computerul .

Descriere

Simulare computerizată a reintrării Navetei Spațiale

Este utilizat în domeniul industriei și al cercetării pentru toate problemele care implică acțiunea fluidelor (forțe aerodinamice, motoare , pompe , instalații chimice , confortul mediului , modele de dispersie în atmosferă etc.). Există acum multe software-uri comerciale care rezolvă ecuațiile dinamicii fluidelor în acest fel. Printre cele mai cunoscute găsim ANSYS CFX , Fluent , KIVA, NUMECA , Phoenics , STAR-CD , STAR-CCM + , CFD ++ , Floworks și alte surse deschise precum Code Saturne , OpenFOAM și SU2 (Universitatea Stanford Unstructured).

Principala utilizare a CFD este de a rezolva ecuațiile Navier-Stokes și ecuațiile aferente acestora. Soluția analitică a acestor ecuații este fezabilă doar în cazuri simple cu fluxuri laminare și geometrii simple (sfere, plăci plate), în timp ce rezoluțiile cazurilor reale, în care apar frecvent fluxuri turbulente , necesită în mod necesar o abordare numerică. Prin urmare, există diferite metode de rezolvare a ecuațiilor Navier-Stokes și, din moment ce acestea sunt în general operațiuni cu un cost de calcul ridicat, au fost dezvoltate abordări bazate pe modele din ce în ce mai rafinate:

Simulare numerică în jurul unui profil aerian

Simularea numerică directă (Direct Numerical Simulation: DNS ) este abordarea simplă din punct de vedere conceptual, discretizează spațiul și timpul cu grile de dimensiunea dorită și efectuează calcule pe ele. Abordarea este cea care returnează cele mai precise rezultate, dar are un cost de calcul foarte ridicat, trebuie utilizate supercomputerele . Prin urmare, pentru aplicații industriale este prea scump, este folosit mai ales în studiul celor mai fundamentale aspecte ale turbulenței .
Reynolds Averaged Navier-Stokes (ecuații mediate de Reynolds: RANS ) : se bazează pe presupunerea că mișcarea turbulentă poate fi văzută ca fiind formată dintr-o mișcare medie și fluctuația acesteia în timp. Cantitățile ecuațiilor de pornire sunt calculate pentru un anumit interval de timp; în acest fel, timpul de calcul este considerabil redus, deoarece scalele mișcării medii sunt considerabil mai mari decât cele ale mișcării turbulente. Acestea necesită utilizarea unor ecuații suplimentare (de exemplu modelul k-ε) pentru închiderea problemei.
Simulare mare Eddy ( LES ) : constă în calcularea numerică a comportamentului celor mai mari scări turbulente și modelarea adecvată a scărilor mai mici (Scala sub-grilă sau scările Kolmogorov ). Pentru a opera această subdiviziune, sunt introduse filtre numerice create ad hoc. Oferă rezultate mai precise decât RANS și în același timp are un cost de calcul semnificativ mai mic decât DNS , motiv pentru care este o metodă în dezvoltare rapidă.

În multe cazuri, alte ecuații trebuie rezolvate în același timp cu ecuațiile Navier-Stokes și ecuațiile modelului de turbulență. Acestea pot include cele referitoare la concentrația diferitelor specii ( flux multicomponent ), reacții chimice ( fluxuri reactante ), radiații termice etc. Probleme mai complexe necesită modelarea altor fenomenologii, ca în cazul fluxurilor bifazice (de exemplu, gaz / lichid) sau în cazul fluidelor non-newtoniene .

Metode de discretizare

Metoda volumului finit : Aceasta este abordarea standard utilizată în majoritatea codurilor comerciale pentru CFD-uri. Ecuațiile sunt rezolvate într-un volum de control discret (celulă).
Metoda elementelor finite : această metodă (în engleză Finite Element Method - FEM) este în general utilizată în analiza structurală, dar este uneori aplicată și studiului fluidelor în care numărul Reynolds este în zeci de mii.
Metoda diferenței finite : această metodă (în engleză Finite Difference Method - FDM) a fost adoptată pentru prima dată în domeniul dinamicii fluidelor. Astăzi, însă, este utilizat doar în unele coduri specializate.

Procedura de analiză

Exemplu de grilă de calcul (format din poliedre) în jurul unei mașini și unele rezultate (câmp de presiune și câteva linii de curgere)

Abordarea tipică necesită discretizarea domeniului fluid în celulele elementare pentru a obține o grilă de calcul (numită și mesh ), pe care să se aplice metode de rezoluție iterative pentru a rezolva ecuațiile Navier-Stokes sau ecuațiile Euler .

În diferitele abordări evidențiate, procedura de analiză este întotdeauna similară în general:

Geometria (sau domeniul fizic) al problemei de analizat este definită.
Volumul ocupat de fluid este discretizat, adică împărțit într-un număr mare de celule elementare, generând o grilă de calcul .
Modelul fizic este definit (de exemplu, ecuațiile mișcării + ecuația energiei + ecuațiile speciilor) și apoi modelul numeric (metoda de discretizare a ecuațiilor, algoritmi pentru rezolvarea ecuațiilor).
Sunt definite condițiile limită , adică sunt specificate proprietățile fluidului în domeniul de calcul. Pentru problemele dependente de timp trebuie specificate condițiile inițiale.
Ecuațiile sunt rezolvate iterativ. Calculul este oprit odată ce a fost atins gradul de precizie dorit.
Rezultatele produse sunt afișate cu un post-procesor.
În cele din urmă, se efectuează analiza rezultatelor.

Trebuie subliniat faptul că integrarea iterativă între rezultatele analizei dinamicii fluidelor și rezultatele elementelor structurale finite permite să evalueze nu numai efectele fluxurilor din jurul solidelor, ci și deformările acestora, permițând evaluarea în profunzime și a timpului care variază efectele presiunilor pe o suprafață.