Что такое программное обеспечение для вычислительной гидродинамики (CFD)?

Что такое программное обеспечение для вычислительной гидродинамики (CFD)?

Программное обеспечение для вычислительной гидродинамики (CFD) используется для анализа потока воздуха, воды и других жидкостей посредством моделирования.

Программное обеспечение для вычислительной гидродинамики (CFD) используется на этапе проектирования, поскольку оно менее затратно и занимает меньше времени, чем эксперименты. Кроме того, обычно сложно и затратно читать движение потока жидкостей и газов посредством экспериментов.

Таким образом, программное обеспечение вычислительной гидродинамики (CFD) полезно для движения жидкости в условиях высоких температур и давления, где невозможно использовать измерительные приборы, а также в условиях, где невозможно проводить крупномасштабные эксперименты, например, при цунами и реках.

Применение программного обеспечения вычислительной гидродинамики (CFD)

Программное обеспечение вычислительной гидродинамики (CFD) используется в исследованиях и разработках различных продуктов, на производственных линиях и для прогнозирования погоды. (Существует широкий спектр приложений, таких как анализ состояния потока и давления внутри двигателя автомобиля, снижение сопротивления, которому подвергается автомобиль, и разработка механизмов охлаждения для процессоров и других устройств.

• Анализ силы, оказываемой воздухом на автомобиль во время его движения
• Анализ воздушного потока в помещении при использовании кондиционирования воздуха
• Анализ воздушного потока для повышения эффективности механизмов охлаждения для машин, которые генерируют тепло
• Анализ направления ветра и давления воздуха для прогнозирования погоды
• Анализ вращения лопастей винта и т. д.

Принцип программного обеспечения вычислительной гидродинамики (CFD)

Рисунок 1. Принцип анализа жидкости (механика)

Программное обеспечение вычислительной гидродинамики анализирует поток жидкости путем численного вычисления следующих двух основных уравнений

1. Уравнение непрерывности (сохранение массы)

Это правило гласит, что жидкость не возникает из ничего и не исчезает внезапно в пустом пространстве. Это означает, что вода не возникает внезапно из ничего.

2. Закон сохранения импульса (уравнения Навье-Стокса)

Это закон, согласно которому интенсивность движения объекта не изменяется, если не приложена некоторая внешняя сила. Фактически он выводится из уравнения движения Ньютона.

Кроме того, при анализе температуры и других параметров уравнение решается с учетом сохранения энергии.

Программное обеспечение для вычислительной гидродинамики (CFD)

Рисунок 2. Структура анализа жидкости

Коммерческое программное обеспечение для вычислительной гидродинамики (CFD) часто включает в себя часть создания модели, часть выполнения моделирования и часть постобработки в виде набора. Кроме того, есть также программное обеспечение, которое

1. Предварительная обработка и создание модели

Создание модели — это процесс создания геометрии для анализа жидкости. В большинстве случаев можно использовать такие форматы файлов, как STEP, IGES и Parasolid, созданные в 3D CAD. Программное обеспечение Computational Fluid Dynamics (CFD) также предоставляет возможность устанавливать граничные условия, например, где жидкость втекает в конструкцию и где температура постоянна.

Для выполнения расчетов геометрия модели представлена ​​сеткой, называемой сеткой. Создание чистой сетки является важным фактором повышения скорости и точности анализа. Программное обеспечение для моделирования оснащено функцией, которая позволяет пользователю легко выбирать размер сетки и автоматически генерировать высококачественную сетку.

2. Часть выполнения моделирования

Этот раздел относится к части, обычно называемой решателем. Программное обеспечение для вычислительной гидродинамики (CFD) в узком смысле относится только к этой части. Решатель оснащен функциями для решения уравнений непрерывности, уравнений сохранения импульса, уравнений сохранения энергии и т. д.

В настоящее время решатели оснащены функциями для решения более сложных моделей и способны выполнять вычисления на более высоких скоростях в ответ на улучшения производительности компьютеров.

3. Часть постобработки

Визуализация результатов анализа в 3D-моделях и других формах позволяет более интуитивно понимать результаты анализа. Функция анализа имеет различные возможности в зависимости от продукта.

По результатам расчетов можно построить контурные графики, отображающие распределение давления и температуры в разных цветах, векторные графики, отображающие поток со стрелками, и потоковые графики с линиями.

Типы программного обеспечения для вычислительной гидродинамики (CFD)

Рисунок 3. Типы анализа жидкости

Первый способ представления жидкостей — дискретизация пространства. Метод конечных элементов и метод конечных объемов — хорошо известные методы дискретизации. С другой стороны, существует также метод частиц, который представляет жидкость как совокупность частиц.

Поскольку существуют различные методы, приемы и функции, специфичные для CAE, необходимо настроить наиболее подходящий метод и условия для каждой симуляции в зависимости от моделируемого явления. Программное обеспечение для вычислительной гидродинамики (CFD) разработано так, чтобы быть простым и удобным в использовании, но есть также многофункциональное программное обеспечение, которое используется профессионалами в анализе тепловой жидкости.

Хотя они различаются от компании к компании, следующие пункты часто имеют значение в качестве приблизительного руководства.

• Количество моделей турбулентности
• Возможность анализа многофазного потока
• Возможность анализа неньютоновской жидкости
• Возможность связанного анализа (например, структурный анализ)
• Возможность обработки сжимаемых жидкостей　

Кроме того, существуют различия в схемах лицензирования. Выберите наиболее подходящее программное обеспечение, уточнив цель использования и требуемые функции.