V modernem inženirskem svetu postajajo simulacije kompleksnih primerov in geometrij vse bolj pomembni. Vpogled v obnašanje izdelka prinaša povečano odpornosti proti nastajanjem stroškov zaradi sprememb pri proizvodnji. V tem blogu bomo prikazali nekaj primerov CFD analiz iz vsakdanjega sveta.
Slika prikazuje osemstopenjski postopek izvedbe CFD simulacije, ki se začne z ustvarjanjem scenarija in definiranjem fizikalnega modela toka tekočine. Nadaljuje se z določitvijo robnih pogojev, pripravo numerične mreže ter zahtevo za izhodne podatke. Sledita zagon simulacije in analiza rezultatov. Celoten postopek omogoča sistematično nastavitev in izvedbo numerične analize toka.
1. Aerodinamika drona v treh dimenzijah
Ta primer prikazuje uporabo 3DEXPERIENCE platforme za modeliranje fluidnega toka okoli drona in analizo njegove aerodinamske učinkovitosti.
V letalski aerodinamiki učinkovitost zasnove določa razmerje med vzgonom in uporom (lift-to-drag). To razmerje neposredno vpliva na porabo goriva. Inženirji in konstruktorji pogosto preizkušajo več letalskih zasnov, da optimizirajo razmerje vzgona in upora ter izboljšajo aerodinamsko učinkovitost. Simulacije računske dinamike tekočin (CFD) predstavljajo cenovno učinkovito rešitev za testiranje teh zasnov. CFD omogoča zaporedno izdelavo in preskušanje več variant pred izvedbo fizičnih validacijskih testov. CFD simulacije ne le nudijo numerične rezultate, ampak tudi prihranijo čas in vire, potrebne za eksperimentalno postavitev.
Ko simulacijo opravimo lahko pregledamo rezultate tlaka na površini, ki predstavljajo najpomembnejši podatek, ko se ukvarjamo z aerodinamiko letečih predmetov.
Profil kril lahko analiziramo tudi s pomočjo tokovnic. Za natančnejšo analizo se je priporočljivo osredotočiti na manjša območja, saj to pripomore k preglednosti rezultatov.
Seveda pa lahko s tokovnicami prikažemo tudi večja območja, kot je nos drona.
Pri letalih nas pogosto zanima tudi distribucija vzgona in upora kril in optimizacija teh parametrov. History plot nam omogoča prikaz točne vrednosti teh parametrov. Iz grafa lahko razberemo, kako je vrednost iterirala, skozi potek računanja.
Ker je iz grafa opazno, da rešitev konvergira, jo lahko smatramo kot resnično.
2. Analiza toka skozi kompleksno cev
Tipična analiza pretoka v kanalu zajema karakteristike toka, kot so tlačne izgube in hitrostni profili. Inženirji in konstrukterji te informacije uporabljajo za oceno učinkovitosti kanala ter ustrezno prilagodijo zasnovo za izboljšanje njegovega delovanja.
Izgube v ceveh se pojavijo zaradi nenadnih sprememb geometrije, kot so zožitve, razširitve, ostre spremembe smeri ali ukrivljeni deli, ki povzročajo motnje v toku. Te geometrijske nepravilnosti povečajo turbulenco in lokalne tlačne padce, kar zmanjša skupno učinkovitost pretoka.
Analiza in optimizacija geometrije sta ključni za zmanjšanje izgub, izboljšanje enakomernosti toka in povečanje energetske učinkovitosti sistema. S tem se doseže boljše delovanje naprave, manjša poraba energije ter daljša življenjska doba komponent. Iz konturnega diagrama lahko preprosto razberemo, da se zaradi geometrije cevi pojavi visok tlačni padec.
Del izgub povzorča tudi turbulenca, ki vodi do izgub energije in posledično hitrosti. Z prikazom vektorjev hitrosti lahko preverimo smeri hitrosti v točkah, ki jih smatramo za kritične. To nam poda idejo, kako bi lahko optimizirali komponento ali sestav. Spodaj je prikazan primer zastoja toka (levo zgoraj) in turbulenčnega prehoda čez vogal (desno spodaj).
Za prestavo toka skozi celoten del nam je na voljo tudi kombinirana uporaba tokovnic ter animacije. Ta metoda prikaže lastnosti simulacije tudi popolnoma neizkušenim uporabnikom.
3. Odstanjevanje delcev iz zraka
Ciklon separatorji odstranjujejo trdne delce iz onesnaženega zraka. Zaradi odsotnosti gibljivih delov in mehanskih filtrov ter nizkih stroškov vzdrževanja so priljubljeni v različnih industrijskih aplikacijah.
V tem primeru simuliramo prehodni tok v ciklon ločevalniku, ki iz zraka odstranjuje delce aluminija. Zrak vstopa v ločevalnik tangencialno in vzpostavi visokohitrostni rotacijski tok (vorteks) znotraj telesa ločevalnika. Vorteks prenaša lažje delce, ki imajo manjšo vztrajnost, proti izstopni odprtini. Težji delci trčijo ob stene ločevalnika, postopoma izgubljajo zagon in padajo v zbiralnik prahu. Predpostavlja se, da ciklon ločevalnik izpušča zrak pri atmosferskem tlaku.
Po opravljeni simulaciji lahko prikažemo učinkovitost procesa, hitrostne profile ter vrtinec, ki se ustvari v notranjosti separatorja.
Animiramo lahko tudi polje vektorjev hitrosti, in vidimo kako se separirata zračni tok in delci.
Prikažemo tudi vrtenje zračne mase, ki omogoča separacijo.
4. Kompletna analiza delujoče črpalke
Ta primer vas vodi skozi uporabo platforme 3DEXPERIENCE za modeliranje toka fluida skozi centrifugalno črpalko in analizo njenega delovanja.
Centrifugalne črpalke imajo široko področje uporabe, med drugim pri transportu vode in nafte, v kemični industriji ter v turbostrojih za elektrarne in jezove. Centrifugalna črpalka mehansko energijo pretvarja v hidravlično energijo, pri čemer poveča tlak fluida, da ga potisne na določeno razdaljo. Energetska učinkovitost je ključen kazalnik zmogljivosti pri zasnovi centrifugalne črpalke. Učinkovitost centrifugalne črpalke je razmerje med dvigom tlaka (višinsko razliko), ki ga črpalka ustvari, in močjo, ki jo porabi. Na podlagi učinkovitosti črpalke lahko za različne pretoke izrišemo karakteristične krivulje delovanja in določimo optimalno delovno točko (BEP – Best Efficiency Point).
Tlačni profili v geometriji črpalke so dobri indikatorji učinkovitosti delovanja. Prav tako so pomembni za optimizacijo geometrije in konstrukcije črpalke. Prenizki lokalni tlaki privedejo do kavitacije, ki lahko uniči ohišje, previsoki pa do pokanja zaradi pretiranega tlaka.
Z orodjem plot sectioning lahko preverimo tlak znotraj geometrije in ga prikažemo z konturnim 3D grafom.
Za analizo in vizualizacijo so prav tako pomembni hitrostni vektorji znotraj gonilnika. Te prikažejo smer vrtenja, odtekanje in nabiranje volumskega pretoka in morebitne zastoje zaradi turbulence in geometrije.
Napredne CFD (računalniška tekočinska dinamika) analize so ključne v sodobnem inženirstvu, saj omogočajo natančno simulacijo in razumevanje kompleksnih fluidnih pojavov, ki jih je z eksperimentalnimi metodami težko ali drago raziskovati. S pomočjo CFD lahko inženirji optimizirajo zasnove, izboljšajo učinkovitost in zanesljivost sistemov ter zmanjšajo razvojne stroške in čas izdelave prototipov. To prispeva k hitrejšemu inoviranju in bolj trajnostnim ter varnim rešitvam v različnih industrijah, od avtomobilske in letalske industrije do energetike in farmacije.
Za več informacij kako vam lahko simulacije koristijo pri proizvodnji in analizi sestavov, nam pišite na elektronsko pošto (info@ib-caddy.com) ali pa nas pokličite na (01) 566 12 55.