CFDmallinnuksen

CFD-mallinnus (computational fluid dynamics, CFD) on laskennallisten menetelmien ala, jolla neste- ja kaasunvirtausten sekä niihin liittyvien kulkeutumisen, lämmönsiirron ja mahdollisesti kemiallisten reaktioiden ilmiöitä simuloidaan ratkaisemalla hallitsevat liikeyhtälöt numeerisesti. Tavoitteena on ennustaa virtauskenttiä, kuten nopeus- ja painejakaumia, sekä lämpötilasäätelyä ja muiden transported aineiden kulkua.

Yleisimmät ratkaistavat malliaines ovat Navier–Stokesin yhtälöt sekä energian ja mahdollisten yhdisteiden kulkeutumisen yhtälöt. Mallinnuksessa käytetään erilaisia diskretisointimenetelmiä, joista yleisimmät ovat finite volume, finite element ja finite difference -menetelmät. Turbulenssin käsittelyyn valitaan usein RANS-pohjaisia malleja (esim. k-ε, k-ω), tai edistyneempi LES- tai DNS-taso riippuen tavoitteista ja laskentavalmistuksesta.

Työprosessi alkaa ongelman määrittämisellä ja tavoitteiden asettamisella, jonka jälkeen muodostetaan geometria ja verkko (meshi), valitaan ratkaisin sekä turbulenssimalli, määritellään reuna- ja alkuarvot, suoritetaan laskenta ja suorituskyvyn analysointi sekä tulosten visualisointi. Keskeisiä tuloksia ovat virtaustekijöiden kentät, painejakaumat, lämpötilat sekä saavutetut voimatekijät kuten ilmanvastus tai hyötysuhde. Tulokset validioidaan vertailulla kokeellisiin mittaustietoihin ja verkonriippuvuustutkimuksin.

CFD-mallinnus löytyy laajasti sovelluksiin rakennusalalta, auto- ja ilmailutekniikasta sekä prosessi- ja kemianteollisuuteen. Se tarjoaa mahdollisuuden kokeissa hankaliksi tai kustannuksiltaan epäkäytännöllisiksi tehtäviä analyysia, mutta siihen liittyy epävarmuuksia turbulenssimallien, verkonlaadun ja laskentatehon suhteen. Yhteensopivuutta ja kokemusta vaativat myös verifiointi ja validoiminen sekä perusvirheiden ehkäisy.