De zwarte doos die CFD heet

Computational Fluid Dynamics (CFD) is het proces van het beschrijven van de stroming van vloeistof door of rond structuren. Lees dit artikel voor meer informatie over de basisprincipes van CFD. Voor veel ingenieurs is CFD een beetje een black box; we weten dat we dit nodig hebben om de belastingen op onze constructies te bepalen, maar om deze resultaten met voldoende nauwkeurigheid te verkrijgen, moeten we ons buiten onze veilige zone van structurele statica en dynamica wagen. Vaak schatten we het liever met sterk vereenvoudigde formules.

Waarom deze aarzeling?

Meestal omdat we plotseling een andere reeks vergelijkingen moeten oplossen, waarbij het materiaal zich helemaal niet gedraagt als het vertrouwde staal en aluminium waaraan we gewend zijn. Dit is gedeeltelijk te wijten aan het feit dat alle vloeistofdynamica inherent niet-lineair is, met een niet te verwaarlozen tweede orde term in ons stelsel van vergelijkingen. Naast het niet-lineaire probleem zijn er nog drie andere hindernissen die wij voor u willen uiteenzetten.

Turbulentie
Turbulentie is de oorzaak van veel problemen bij CFD berekeningen. Om dit op te lossen zijn vele modellen ontworpen, die een relatie geven tussen de stroming en de (visceuze) energiedissipatie. Deze modellen hebben echter de neiging om het beste te werken voor specifieke gevallen en slechter, slecht voor andere. Welk turbulentiemodel moet worden gekozen is daarom een belangrijke stap, gebaseerd op een eerste schatting.

De grootte van de mesh
Een andere reden voor aarzeling is de omvang van de gecreëerde modellen. Terwijl FEA gewoonlijk in minuten wordt gemeten, zijn voor CFD meestal zeer kleine elementen nodig voor turbulentie en zijn er vaak uren, dagen of zelfs maanden nodig, afhankelijk van hoe ingewikkeld de constructie is en hoe gedetailleerd het net moet zijn om de kleinste details te beschrijven.

De convergentie van de oplossing
De derde reden voor aarzeling is de convergentie van de oplossing. Veel meer dan bij FEA, waar convergentie soms een probleem is bij gecompliceerde simulaties met inbegrip van contact en dergelijke, hangt de convergentie van CFD-analyses af van maaswijdte, elementvorm, geometrie en stromingsomstandigheden. Twee netten met vergelijkbare netparameters convergeren misschien niet op dezelfde manier.

Dit probleem is het ergst bij expliciete oplossers, omdat deze in de eerste plaats slechts voorwaardelijk stabiel zijn, zodat een (zeer) kleine tijdstap nodig is. Impliciete oplossers hebben dit probleem niet, maar het inverteren van de matrix van deze enorme modellen vereist grote hoeveelheden rekenkracht.

Terug naar een structureel probleem

Wanneer al deze hindernissen zijn genomen, kunnen de analyses worden gebruikt om de snelheids- en drukvelden te berekenen. Met deze velden kunnen de weerstand en de lift op de oppervlakken worden bepaald, evenals geometriegrootheden als het aërodynamisch centrum. Nu kunnen we eindelijk terugkeren naar de veilige omhelzing van de bouwkunde.

Vond je deze post leuk? Meld je aan voor onze nieuwsbrief en we sturen je elke maand meer berichten zoals deze.

Als u hulp nodig heeft bij uw CFD berekeningen of advies nodig heeft over CFD software tools, dan helpen de specialisten van Femto Engineering u graag verder.

Neem contact met ons op!