CFD – Computational Fluid Dynamics

Tekočine (kapljevine in plini) so snovi pri katerih molekularna struktura ne zagotavlja odpora na delovanje zunanjih strižnih sil (za razliko od trdnih snovi), zato se v toku tekočine tvorijo najrazličnejše strukture, ki nanj vplivajo. Tok tekočine popisujejo diferencialne oz. integralske enačbe, ki jih analitično ni mogoče reševati. Zato jih je potrebno pretvoriti v algebrajske enačbe. Sama pretvorba poteka s pomočjo prostorske in časovne diskretizacije, ki mora zagotoviti popis vseh za tok pomembnih struktur. V našem primeru so bile za preračun uporabljene Navier-Stokesove enačbe v diskretni obliki, kot numerično metodo pa smo uporabili metodo končnih volumnov. Omenjene enačbe v diferencialni obliki za kartezični koordinatni sistem  zapišemo:

kontinuitetna enačba:

Z večanjem gostote diskretizacijskih točk povečujemo natančnost popisa toka in rešitve sistema (zaradi diskretizacije vedno aproksimativne rešitve diferencialnih/integralskih enačb). Vendar večanje gostote povečuje kompleksnost reševanega sistema (čas in računske zmogljivosti).

Delna rešitev problema je v uporabi različnih modelov dinamike tekočin, ki zagotavljajo uporabo manjšega števila diskretizacijskih točk za dosego neke določene stopnje natančnosti. Vendar ima uporaba modelov tudi številne slabosti. Vsak model predstavlja aproksimativen popis realnega dogajanja s pomočjo določenega števila vplivnih parametrov. Posamezen model je uporaben le na nekem omejenem območju in v sistem vselej vnese določene napake. Vedno je torej potrebno skleniti kompromis med natančnostjo izračunanih rezultatov ter porabljenim časom in računskimi zmogljivostmi, ki so nam na voljo.

Naloga računalniške dinamike tekočin (angl. Computational Fluid Dynamics — CFD) je zagotovitvi orodja, ki omogočajo čim kvalitetnejše reševanje zastavljenih problemov. Uporabnik mora na podlagi svojega znanja jasno identificirati reševani problem, katerega je potrebno poenostaviti do mere, ki še omogoča ustrezno kvalitetno rešitev. V večini aplikacij uporabe CFD-ja gre torej za kvalitativno primerjavo rezultatov simulacij, ki nam podajo oceno o kvaliteti sprememb na simuliranem objektu. Uporaba CFD-ja za kvantitativen popis dinamike tekočin omogoča v relativno kratkem času in z relativno majhnim denarnim vložkom izboljšanje procesov in konstrukcij. Kvaliteta izračunanih podatkov je namreč dostikrat večja kot bi bila pri eksperimentalni določitvi (v primeru, da je ta sploh možna).

Programski paket, s katerim je bila izvedena numerična simulacija, je ANSYS‑CFX 10. Sestavljen je iz treh delov, predprocesorja – CFX Pre, solverja – CFX Solver Manager in postprocesorja – CFX Post. Pred tem pa je potrebno določiti geometrijo modeliranega območja (3D model) in jo zmrežiti, za kar uporabimo program ANSYS ICEM CFD.

• CFX Pre

      Tu definiramo vse parametre, ki so potrebni za reševanje nekega problema (predhodno določena in zmrežena geometrija). Najprej je potrebna določitev osnovnih karakteristik domene in tekočin v njej (izbira uporabljenih računskih modelov ter potrebnih fizikalnih parametrov stanja, uporabljeih tekočin...). Za enolično rešitev diferencialnih enačb, ki popisujejo tok tekočin, je potrebno definirati pripadajoče robne pogoje. Za začetek reševanja sistema enačb je potrebno definirati začetne približke (stacionarni pojav) oz. začetne pogoje (tranzientni pojav). Na koncu je potrebno definirati parametre solverja (konvergenčni kriteriji, maksimalno število iteracij,...). Tako definiran model zapišemo v definicijski (.def) datoteki solverja.

• CFX Solver Manager

Naloga solverja je reševanje sistema algebrajskih enačb s pomočjo različnih numeričnih metod, dokler rešitev ne ustreza določenemu konvergenčnemu kriteriju. To je lahko tudi zelo dolgotrajen proces, zato paket CFX omogoča paralelno procesiranje.

• CFX Post