Wat is CFD-simulatie?

Wat is CFD-simulatie?

In dit artikel gaan we in op het begrijpen van CFD-simulatie in het algemeen, met de verschillende stappen die de uiteenlopende simulatietypes gemeen hebben (klimaattechniek, hydrologie, warmteoverdracht, verspreiding van verontreiniging, brandveiligheid…).

Definitie van CFD

Waarom CFD-simulatie gebruiken?

CFD, letterwoord van «Computational Fluid Dynamics», is een engineeringinstrument dat onder de zogenaamde computer-aided engineering (CAE) valt. Meer bepaald verwijst CFD naar de simulatie van de stroming van fluïda, met inbegrip van de fysische en chemische fenomenen die erbij komen (zoals turbulentie, warmteoverdracht of chemische reacties).

CFD-simulatie: een alternatief voor windtunnelproeven

De windtunnelproeven

Windtunnelproeven hebben als doel de interactie tussen turbulente wind en constructies na te bootsen. Voor structureel stijve bouwwerken kunnen de aerodynamische belastingen op starre maquettes worden bepaald.

Windtunnelproeven zijn de ruim gebruikt voor industriële toepassingen en in de burgerlijke bouwkunde tijdens de afgelopen vijf decennia.

De windtunnelproeven vragen een dure installatie en geavanceerde instrumenten om een reeks veldvariabelen te meten (windsnelheid, drukbelastingen, turbulentie-intensiteit enz.). Hun voornaamste beperking is dat zulke metingen slechts op enkele specifieke punten van de meetsectie worden verkregen, waardoor beperkt het globale begrip aanzienlijk van de evolutieve of instationaire processen van complexe fenomenen (zoals wervelafscheiding, turbulente zogstromen en thermische stratificatie).

Studie van de natuurlijke ventilatie in de windtunnel

CFD-simulatie: een evolutie als gereedschapskist

CFD biedt voor ventilatie tal van voordelen tegenover windtunnelproeven. Naast simulaties op ware schaal (in plaats van schaalmodellen zoals bij veel fysieke proeven) levert ze ook aanvullende gegevens en maakt ze het mogelijk vergelijken, voor een gegeven wind, de windsnelheden tussen twee punten gelijktijdig. Het is mogelijk studies uit te voeren over hydrologie, luchtstroming of warmte op verschillende schalen: van micro-elektronica tot studies van gebouwen en steden. De resultaten kunnen duidelijker worden weergegeven en aan een breed publiek worden uitgelegd.

CFD-simulatie: een zeer breed toepassingsgebied

Met die methoden kan een zeer breed scala aan vraagstukken worden aangepakt; we stellen ze hieronder voor.

Wat levert het gebruik van CFD-simulatie op?

Dankzij de CFD-simulatie kan het ontwerp van een proces of een product worden verbeterd zonder prototypes te moeten bouwen (die tijd en geld kosten); kan een slechte beslissing worden vermeden; er ontstaat een beter inzicht in het proces of het product, waardoor het mogelijk is sneller door de ontwerpfasen te gaan (keuze van de beste oplossingen) en om problemen op te lossen die opduiken in installaties of processen die al in bedrijf zijn.

Zodra het kader van een fysisch probleem kan worden vastgelegd, kan het met numerieke CFD-simulatie worden onderzocht.

Hoe wordt een CFD-simulatieproject georganiseerd?

Hoeveel tijd moet u voor een CFD-project uittrekken?

Een fluïdumsimulatieproject omvat in de regel een voorafgaande studie van het te analyseren proces of fenomeen, het opbouwen van een gedetailleerd geometrisch model, de keuze (en indien nodig de implementatie) van de passende wiskundige modellen, het toepassen van bedrijfsgegevens als randvoorwaarden, de numerieke berekening (die van enkele minuten tot enkele dagen kan duren, afhankelijk van de complexiteit) en de analyse van de resultaten.

Ondanks de toepassingen die de laatste jaren zijn ontwikkeld om het gebruik te vergemakkelijken, vraagt een CFD-project correct uitvoeren dus ervaring en een aanzienlijke inzet van middelen.

Bepaling van het studievraagstuk

Vóór de start van een ontwerpstudie moeten wij u enkele belangrijke vragen stellen. Die vragen zijn cruciaal om de geometrie te bepalen waarmee wij de analyses starten, de delen van uw ontwerp waarop wij ons richten en de parameters die na de analyse moeten worden bekeken.

Zodra die antwoorden er zijn en het inzicht in de vraagstukken beter is, beschrijven wij hier het proces van CFD-modellering dat alle projecttypes gemeen hebben.

Voorbereiding van het 3D-model

Hoe wordt het 3D-model van een CFD-studie opgebouwd?

Een efficiënte simulatie begint met goede modelleringstechnieken, zowel op het vlak van de integriteit van het model als van het correct aanmaken van de verschillende stromingsgebieden en van de optimalisatie van het rekenrooster. De eerste stap bestaat erin een model op te bouwen voor de analyse van de stroming. Dat betekent de geometrie modelleren waarin de stroming plaatsvindt en het model optimaliseren voor de simulatie.

Het model optimaliseren voor de simulatie

Het 3D-CFD-model voorbereiden op de optimalisatie van het rekenrooster

Om de beweging van fluïda in een ontwerp te onderzoeken, moet het stromingsgebied gemodelleerd zijn. De meeste 3D-modellen bevatten dat niet standaard: het moet dan worden aangemaakt met software die het oorspronkelijke 3D-model aanvult. Daarnaast gaat het erom het model voor te bereiden op de optimalisatie van het rekenrooster in de zones met een groot belang. Zo voegen wij 3D-onderdelen toe — onzichtbaar in de renderings en in de CFD-studies — die dienen om het rekenrooster nauwkeurig te verfijnen in de stromingszones die moeten worden gevat.

Wat is het rekenrooster? (en waarom is het belangrijk?)

Het genereren van het (3D-)rekenrooster is een belangrijke fase van een CFD-analyse, gezien de invloed ervan op de berekende oplossing. Een rekenrooster van zeer goede kwaliteit is essentieel om een nauwkeurige, robuuste en zinvolle berekening.

Berekeningen met eindige elementen

Vóór een CFD-simulatie wordt de geometrie in kleine stukken verdeeld, de elementen. De hoek van elk element is een knoop. De berekening gebeurt in de knopen. Die elementen en knopen vormen het rekenrooster.

In driedimensionale modellen zijn de meeste elementen tetraëders: een element met vier zijden en driehoekige vlakken. In tweedimensionale modellen zijn de meeste elementen driehoeken.

Structuur van het rekenrooster

Men onderscheidt gestructureerde en ongestructureerde roosters, orthogonaal of vrij. In een gestructureerd rooster in 3D verloopt de berekening sneller omdat er geen connectiviteitsmatrix moet worden opgebouwd. In een ongestructureerd rooster is dat wel het geval. Het voordeel daarvan is dat er willekeurige geometrieën kunnen worden ingedeeld; daarentegen kunnen het aanmaken en het in het geheugen houden van de matrix de berekening sterk vertragen. Dit type rooster wordt gebruikt voor complexe geometrieën met krommen of met een groot aantal elementen.

De vaste volumes hebben weinig elementen nodig, in tegenstelling tot de fluïdumvolumes, die een nauwkeurige verfijning vragen omdat ze niet te ver van een balkvormige geometrie mogen afwijken; bij sterk vervormde elementhoeken bestaat namelijk het risico dat de berekening niet convergeert.

Roosterdichtheid

Voor de dichtheid van het rooster moet men een compromis vinden tussen de rekentijd en de gewenste nauwkeurigheid. Het rooster verdichten — en dus het aantal iteraties verhogen — is zinloos als de nauwkeurigheid met een beperkt aantal elementen al volstaat.

Principe van de roosteraanpassing

De kwaliteit van het rooster heeft een grote invloed op de convergentie, op de nauwkeurigheid van de oplossing en vooral op de rekentijd. Een goede roosterkwaliteit berust op het beperken van elementen met «vervormingen» en op een goede «resolutie» in de gebieden met een sterke gradiënt (gap, grenslagen, recirculatie…).

Het rooster wordt zo fijn mogelijk gemaakt in de kritieke studiezones. Zo worden de macroscopische fenomenen meegenomen (het bouwvolume) die stroombuizen kanaliseren door het venturi-effect, terwijl de aeraulische fenomenen op kleinere schaal correct worden gevat (luchtverdeling).

Hoe worden de CFD-randvoorwaarden vastgelegd?

Beginvoorwaarden

De beginvoorwaarden geven de kenmerken van de stroming weer op het vlak van snelheid en positie van het vrije oppervlak bij de start van de simulatie. Begint de berekening met willekeurige waarden, dan dreigt de simulatie snel te divergeren. Om niet te ver van realistische resultaten af te wijken en de rekentijd te optimaliseren, worden de beginvoorwaarden vóór de CFD-studie onderzocht en gekozen.

Randvoorwaarden

De studie van de randvoorwaarden is bepalend in een modellering; men kan de randvoorwaarden samenvatten als de aannames van de simulatie. Het is de meest bepalende stap voor het welslagen van de studie: de projectspecifieke randvoorwaarden worden vanaf de start van de opdracht in detail onderzocht.

Oplossingsmethode

Keuze van het turbulentiemodel

Het begrip turbulentiemodel is bijzonder in de stromingsleer. Het maakt het mogelijk de verschillende structuren te catalogeren die in een stroming naast elkaar bestaan en er een zeker gewicht binnen de stroming aan toe te kennen.

Vergelijkende studies van turbulentiemodellen door Combes [2000] wezen het model met twee transportvergelijkingen k-ε aan als het meest geschikte voor algemene stromingen. Het is een van de meest gebruikte modellen, het meest performante, het eenvoudigste en het ruimst gevalideerde. k staat voor de turbulente kinetische energie en ε voor de dissipatiesnelheid van die turbulente kinetische energie. Logischerwijs gebruiken wij het voor de meeste fluïdumsimulaties in thermo-aeraulica en hydrologie, maar voor bijzondere simulaties kunnen wij andere turbulentiemodellen kiezen.

Rekenmethode

De numerieke oplossing verloopt via de linearisatie en de discretisatie van alle conserveringsvergelijkingen, waarvoor het rekendomein moet worden onderverdeeld in een aantal niet-aansluitende eindige volumes (het rekenrooster). Het oplossen van de studie bestaat uit het oplossen van het stelsel niet-lineaire Navier-Stokes-vergelijkingen op servers die aan CFD zijn gewijd.

Visualisatie van de resultaten

Grafische syntheses

De stroming van een fluïdum in een volume is doorgaans complex en bevat talrijke recirculaties met lage snelheid, waardoor weergave op een vlak moeilijk is. Wij brengen de meest opvallende fenomenen in beeld met vlakken en doorsneden van situaties, met zeer volledige toelichting.

Wij beschikken over een breed gamma weergaven (stroombuis, vectorveld, iso-oppervlak…) waarmee de vastgestelde aeraulische fenomenen zo goed mogelijk kunnen worden weergegeven in het technisch rapport.

Het interpreteren van de resultaten vraagt beheersing van de CFD-analysesoftware, maar vooral kennis van de fysica en van het geanalyseerde product om de verschillende fenomenen precies te kunnen uitleggen.

Samenvattende video's

Op basis van onze ervaring worden, voor de meest opvallende elementen, video's gemaakt die de verschillende aanzichten van het CFD-model dynamisch weergeven. Het technisch rapport kan naar die video's verwijzen om het lezen te vergemakkelijken — sommige fenomenen zijn op een vlak nauwelijks te begrijpen.

Voordelen en nadelen van CFD-simulatie

Die knelpunten worden sterk beperkt door de ervaring die de ingenieurs van EOLIOS in talrijke projecten hebben opgebouwd. Het is belangrijk dit soort studie met een gekwalificeerd team uit te voeren.

Wat kost een CFD-simulatie?

Laten we eerlijk zijn: CFD is niet het goedkoopste engineeringinstrument (vergeleken met een standaard CAD-toepassing of rekenblad) gezien de complexiteit en de vereisten (ervaring, licenties, rekencapaciteit).

Daarentegen kunnen de resultaten die dit soort studie oplevert en hun bijdrage aan een ontwerp- of probleemoplossingsproces niet worden vergeleken met wat eenvoudiger instrumenten opleveren.

De kortere ontwerptijd, de uitgespaarde prototypes en de verbetering van het proces of het product compenseren doorgaans de kostprijs van de CFD-simulatie. Wij bieden opdrachtformules aan die bij elk budget passen.