CFDsimuloinnin

CFD-simulointi (Computational Fluid Dynamics) on nesteiden ja kaasujen virtausten tutkimiseen ja suunnitteluun tarkoitettu laskennallinen menetelmä. Se mallintaa virtauksia numeerisesti ratkaisemalla Navier–Stokes-yhtälöt sekä niihin liittyviä siirtymä- ja energian tasapainoyhtälöitä. Simulointi tuottaa kenttäarvoja kuten nopeusvektori, paine ja lämpötila, sekä mahdollistaa virtausarvioiden analysoinnin sekä kokeellisten mittausten tukemisen tai korvaamisen.

Työprosessi alkaa geometrian ja rajapintojen määrittämisestä sekä verkoston (meshin) rakentamisesta. Sitten valitaan fysiikan malli: laminaarinen tai turbulenssi, sekä mahdolliset lämpö- ja kemialliset ilmiöt tai monifaasiset prosessit. Seuraavaksi asetetaan rajakäytöt (syötöt ja poistot), alkuarvot ja ajan askeleet, ja suoritetaan ratkaisu. Tulokset analysoidaan post-processingin avulla, ja tarvettaessa malli verifioidaan ja validoidaan kokeellisin tiedoin.

Yleisimmät numeeriset menetelmät ovat finite-volume-, finite-element- ja finite-difference -lähestymistavat. Finite-volume -menetelmä on erityisen yleinen virtausten säilymisen ja konservatiivisten ominaisuuksien varmistamiseksi. Verkoston laatu, tarkkuus ja kuoren rei’ittävyys vaikuttavat tulosten luotettavuuteen; usein tehdään mesh-refinement- ja konvergenssitarkasteluja.

Turbulenttien virtausten mallintamiseen käytetään erilaisia turbulenssimalleja, kuten RANS-, LES- tai DNS-malleja sekä malleja kuten k-ε, k-ω ja SST. CFD:llä voidaan optimoida suunnittelua, tutkia ilman- ja vedenvirtausta rakennuksissa ja ajoneuvoissa sekä simuloida lämmitys- ja jäähdytystapahtumia sekä kemiallisia reaktioita.

CFD-simuloinnin tarkoituksena on tukea päätöksentekoa, nopeuttaa prototyyppien kehitystä ja vähentää kokeellisten mittausten tarvetta. Sen käyttö edellyttää sekä vahvaa numeerista osaamista että fysikaalisen ilmiön tuntemusta. Yleistyneitä ohjelmistoja ovat sekä avoimen lähdekoodin että kaupalliset ratkaisut.