CFD simulace

CFD simulace (Computational Fluid Dynamics, výpočtová dynamika tekutin) je numerický výpočet proudění kapalin a plynů a s ním spojeného přenosu tepla. Řeší zákony zachování hmotnosti, hybnosti a energie (Navierovy-Stokesovy rovnice) v prostoru rozděleném na malé buňky. Výsledkem jsou pole rychlostí, tlaků a teplot a z nich odvozené veličiny, jako tlaková ztráta, průtok, odporová síla nebo teplota součástek.

Postup: z CAD modelu se vytvoří výpočetní oblast, tedy prostor, kterým tekutina proudí (vnitřek potrubí nebo skříně, okolí tělesa). Ta se rozdělí na síť, obvykle se zhuštěnými vrstvami buněk u stěn, kde se rychlost prudce mění. Zadají se vlastnosti tekutiny a okrajové podmínky: rychlost nebo průtok na vstupu, tlak na výstupu, stěny, zdroje tepla a charakteristiky ventilátorů. Komerční programy pracují převážně metodou konečných objemů.

Většina technických proudění je turbulentní, a turbulence se proto popisuje modelem. V průmyslu převažují modely typu RANS (například k-ε nebo k-ω SST), které dávají časově středovaný výsledek v rozumném čase. Přesnější, ale řádově náročnější jsou metody LES. Úlohy se řeší jako ustálené, nebo jako časově proměnné, pokud jde o odtrhávání vírů, plnění nebo pulzace. Současný výpočet tepla v tekutině i v pevných dílech se označuje jako sdružený přenos tepla (CHT).

Používají se nástroje od modulů integrovaných v CAD (například SolidWorks Flow Simulation) po specializované programy jako ANSYS Fluent, Simcenter STAR-CCM+ nebo otevřený OpenFOAM.

CFD simulace se vyplatí, když proudění nebo teplo rozhoduje o funkci výrobku a měření na prototypu by bylo drahé či pomalé: chlazení elektroniky a rozvaděčů, návrh ventilačních otvorů a kanálů, tlakové ztráty ventilů, rozdělovačů a filtrů, vzduchotechnika, míchání, aerodynamický odpor nebo proudění kolem budov. Umožní porovnat několik variant tvaru a vybrat nejlepší ještě před výrobou prototypu.

Hodí se také k pochopení problému na existujícím zařízení, například proč se jedna část přehřívá nebo kde vzniká nerovnoměrné proudění a hluk.

Barevné obrázky proudění vypadají přesvědčivě i tehdy, když je výpočet špatně. Kontrolujte konvergenci (pokles reziduí i ustálení sledovaných veličin, jako je tlaková ztráta nebo teplota), nezávislost výsledku na síti a dostatečnou velikost výpočetní oblasti, aby okrajové podmínky neovlivňovaly řešení. Model turbulence a rozlišení sítě u stěn musí odpovídat úloze, jinak bývají chybné hlavně tlakové ztráty a přestup tepla.

U přirozeného chlazení nezapomeňte na sálání, které může odvádět podstatnou část tepla. Výsledky porovnejte s ručním odhadem nebo s měřením alespoň v jednom bodě. Od dodavatele simulace požadujte popis okrajových podmínek, modelu turbulence, sítě a kritérií konvergence a konkrétní hodnoty, ne jen obrázky.