CFD berekeningen en CFD-simulatie

Een toepassingsgebied van een CFD-berekening is de analytische modellering en voorspelling van het stromingsveld rond vleugels en propellers. De geometrie beïnvloedt de stroming. Vermindering van weerstand en toename van de voortstuwing c.q. lift leidt tot een hoger rendement. CFD-simulaties worden voornamelijk gedaan in ANSYS Fluent op een 36-core rekencluster.

Voorspelling van de stuwkracht en weerstand van oscillerende vleugels liggen aan de wieg van Huygens Engineers. De oprichters begonnen hun samenwerking op een omvangrijk, zeer gedisciplineerd en AP Moller-Maersk-gefinancierd project om de technische en economische haalbaarheid van visstaart-voorstuwers voor containerschepen te onderzoeken. Het programma bestond uit verschillende onderdelen, waaronder een analytische voorspelling van stuwkracht en efficiëntie, en het hoogtepunt in wetenschappelijke zin bestond uit een succesvol systematisch meetprogramma dat werd uitgevoerd bij MARIN. De resultaten van het meetprogramma zijn gepresenteerd op de ONR-conferentie in Göteborg en zijn gepubliceerd onder de naam "A Systematic Experimental Study on Powering Performance of Flapping Foil Propulsors".

Een andere toepassing van CFD-simulaties is het modelleren van stationaire laminaire en turbulente stromingen. Dit gebeurt om specifieke systeemkarakteristieken te voorspellen, waaronder de drukval en warmteoverdracht in een warmtewisselaar, of de temperatuur van een koeling-vin die analytisch moeilijk te berekenen zou zijn. Enkele voorbeelden van stationaire stromingssimulaties zijn te zien in de onderstaande illustratie.

In de voorgaande voorbeelden van stromingssimulaties waren de stationaire oplossingen voldoende om de situatie te analyseren. Soms zijn deze echter niet voldoende en is simulatie van onstabiele stroming een vereiste. De video toont een onstabiele convectie rond een verwarmingselement, gesimuleerd in ANSYS Fluent. Omdat het verwarmingselement de temperatuur van de omgeving/de omringende gassen constant verhoogt kan er geen stationaire oplossing worden gebruikt om het proces te beschrijven.

Simulaties met bewegende geometrieën vereisen een mesh van hoge kwaliteit. Het maken van een dergelijke mesh voor de volledige geometrie is, vooral bij grote verplaatsingen, een uitdaging. Een gebruikelijke benadering voor situaties zoals deze is het inzetten van overlopende meshes, waarbij individuele componenten afzonderlijk worden gerasterd en elkaar (bijna) willekeurig overlappen.

Mesh voorbeeld
Een voorbeeld van de mesh-, stromings- en drukvelden van een 2-lobbenpomp is te vinden in de afbeelding en video, waarbij het raster van ieder componentraster een andere kleur krijgt. Het netwerk bestaat uit veldcellen waarin de geldende vergelijkingen (transportvergelijkingen van massa, momentum en energie) zijn opgelost, randcellen die worden opgelost door interpolatie uit de veldcellen van het andere complementaire mesh en “dode” cellen die irrelevant zijn voor de oplossing.

In sommige situaties wordt de geometrie beperkt door bepaalde bouwvereisten. Dit is bijvoorbeeld het geval wanneer een overgangsstuk voor een cirkelvormige naar een vierkante vorm moet worden ontworpen voor maximale stromingsuniformiteit. De figuur toont een close-up van de mesh en de snelheidscontouren van de geometrie van een luchtkanaal.

Terug naar overzicht >