V sodobnem inženirstvu postaja računalniška simulacija dinamike tekočin (CFD) vedno bolj nepogrešljivo orodje. Omogoča analizo in optimizacijo toka tekočin ter plinov v digitalnem okolju, kar znatno zmanjša potrebo po fizikalnih prototipih in pospeši razvojni proces. Ker je uporabniku na voljo več različnih programskih orodij, je pomembno jasno razumevanje za učinkovito reševanje problemov. V tem blogu si bomo pogledali uporabo dveh različnih orodij: 3DEXPERIENCE Fluid Mechanics Engineer in SOLIDWORKS Flow Simulation.
Za primerjavo procesov bomo uporabili preprost časovno ustaljen primer, in sicer analizo letalskega krila YF-130A v vodnem okolju. To nam bo podalo jasno primerjavo med natančnostjo rezultatov, tipom orodij, ki jih imamo na voljo ter metodami za analizo rezultatov.
Uvoz geometrije
Geometrijo lahko za vsak aeroprofil uvozimo v SOLIDWORKS kot krivuljo napeljano skozi točke. Koordinate točk so nam na voljo na neodvisno spletni strani http://airfoiltools.com/search/. Točke, zapisane v .txt datoteki z dodanimi z-koordinatami lahko dodamo direktno v skico, določimo dolžino strune in ekstrudiramo krilo. Ker je SOLIDWORKS integriran v platformo 3DEXPERIENCE lahko geometrijo uporabimo tako v SOLIDWORKS Flow Simulation in v 3DEXPERIENCE Fluid Mechanics Engineer.
Za izvajanje simulacije je pomembno, da je glavna struna tangentna na vodilni rob, saj s tem pridobimo natančno kontrolo nad kotom (angle of attack).
Nastavljanje računske domene
SOLIDWORKS Flow Simulation
Možnosti imamo izbrati 2D ali 3D računsko domeno. Ker na krilo ni pritrjena dodatna nobena dodatna geometrija, se lahko poslužimo 2D metode in tako prihranimo na času računske simulacije. Z drsniki imamo možnost spreminjanja dimenzij domene. Dostop do “čarovnika” za simulacije nam omogoča preprosto nastavljanje robnih pogojev in karatkeristik domene, kot so hitrost, smer hitrosti, material v domeni ter parametre turbulence.
Pred simulacijo nastavimo tudi “cilje”, ki predstavljajo podatke, ki predstavljajo glavne parametre, ki nas zanimajo. Posledično so zajeti tudi v konvergenčnih kriterijih zaradi večje natančnosti podatkov.
3DEXPERIENCE Fluid Dyniamics Engineer
V okolju Simulia Fluid Model Creation nam je prav tako na voljo pomočnik, ki nas vodi skozi celoten proces nastavljanja simulacije. V domeni nastavimo kopomente, ki jih analiziramo v simulaciji, zunanje meje (oziroma simulacije vetrovnika) in material, ki ga bomo uporabljali za medij.
S pomočjo pomočnika lahko specificiramo tudi tip in velikost robnih pogojev, kot so vhodi in izhodi iz sistema, ter želene podatke, ki jih bomo potrebovali kot rezultate simulacije.
Mreženje
SOLIDWORKS Flow Simulation
SOLIDWORKS Flow Simulation uporablja ortogonalno mreženje in ponuja avtomatsko mreženje po celotni domeni. Če mreža ni zadovoljiva, pa je na voljo tudi izdelava lokalne mreže. V našem primeru smo se poslužili ekvidistančnega izboljšanja, kjer v najbolj zahtevnih področjih (pri stenah aero-profila) predpišemo bolj fino mrežo.
Izberemo tri nivoje pomanjšanih celic, ki z oddaljenostjo od stene naraščajo. To pomeni, da lahko zajemamo natančne rezultate, brez pretiranih računskih časov.
3DEXPERIENCE Fluid Dynamics Engineer
V 3DEXPERIENCE Fluid Mechanics Engineer problem obravnavamo v treh dimenzijah. Ta program uporabla t.i. Body Fitted mrežo, ki bolje opiše vaš model v simulaciji. Prek pomočnika nastavimo domeno okrog aero-profila. Avtomatsko lahko nastavimo dimenzije virtualnega vetrovnika ter območja trdnin, ki jih izvzamemo iz simulacije.
Prav tako lahko avtomatsko vnesemo podatke o fluidu ter geometriji aeroprofila. Program nato samodejno zasnuje mrežo, ki bo zadostovala pogojem konvergence. V tem koraku izberemo tudi viskoznostni model (k-epsilon) ter robne pogoje (hitrost na vhodu ter tlak na izhodu).
Izvajanje simulacije
SOLIDWORKS Flow Simulation
Po snovanju mreže je simulacija pripravljena. Izberemo lahko količino jeder, ki jih bomo uporabili. Na voljo imamo vsa jedra (24) ki jih naš računalnik premore.
Ker je simulacija 2D, se zaključi hitro (2:40 min).
3DEXPERIENCE Fluid Dynamics Engineer
V sklopu SIMULI-e nam omogoča tudi računanje v oblaku. Ker primer ni kompleksen, smo si zadali preračun na lokalnem računalniku. Preračuni na 3DEXPERIENCE platformi omogočajo uporabo do 144 jeder hkrati. Pred simulacijo so nam na voljo tudi preverbe modela, scenarija in nastavljene simulacije.
Simulacija teče v vseh treh dimenzijah, zato preračun traja dlje (35 min).
Analiza rezultatov
SOLIDWORKS Flow Simulation
Analiza po simulacij je v SOLIDWORKS Flow Simulation zelo intuitivna. Na voljo imamo veliko orodij za prikaz gradientov (točke, površine, volumni), tokovnic in pa parametrov (točke, površine, volumni).
Prikažemo lahko tudi več rezultatov na enkrat (v tem primeru tlak -> gradient in hitrost -> tokovnice). Za prikaz na “cut plot”-ih, imamo na voljo poleg gradientov tud iso-linije, vektorski prikaz ali pa tokovnice.
Na ne-simetričnih 3D analizah je smiselno uporabiti tudi površinski prikaz, ki nam prikaže gradient želene spremenljivke na površini, ali pa smer tokovnic v kartezičnem koordinatnem sistemu, in celo njihovo animacijo.
Za dodatno analizo rezultatov pa lahko podatke, ki smo jih specificirali kot želene v ciljih, izvozimo v excel.
3DEXPERIENCE Fluid Dynamics Engineer
Ker smo simulacijo opravili v 3D, nam je na voljo možnost opazovanja preseka. Tako lahko vidimo dogajanje znotraj vetrovnika. Za primerjavo rezultatov zopet opazujemo konturo tlaka.
Vrednosti so primerljive, za boljšo vidljivost pa lahko prilagodimo skalo legende, da se vrednosti, ki se več pojavljajo vidijo bolje. Prav tako imamo možnost pogleda s tokovnicami, vektorji ali z iso-konturami (opcijo imamo da tudi hkrati). Ker je simulacija v 3D lahko opazujemo gradient tlaka tudi zunaj območja aeroprofila po z-osi s pomočjo iso-kontur.
Vektorska analiza je prav tako integrirana v 3D, a je v našem primeru smiselna le v dveh dimenzijah, saj je geometrija po z osi konstantna.
CFD simulacije so postale nepogrešljiv del sodobnega načrtovanja, saj omogočajo učinkovito analizo tokovnih lastnosti brez potrebe po obsežnih fizikalnih testih. Primerjava SOLIDWORKS Flow Simulation in 3DEXPERIENCE Fluid Dynamics Engineer je pokazala, da izbira orodja temelji na zahtevah projekta. Ne glede na izbiro orodja CFD simulacije bistveno pospešijo razvojni proces, zmanjšajo stroške in izboljšajo kakovost končnih rešitev.
Če vas zanimajo še ostala orodja, ali pa kako lahko CFD analiza koristi vašemu podjetju, nas kontaktirajte preko elektronske pošte (info@ib-caddy.com) ali pa prek telefonske številke (01 566 12 55).