CFDsimulointeja

CFD-simulointeja eli laskennallisia nesteiden ja kaasujen virtausten simulointeja käytetään ennustamaan virtausta sekä siihen liittyvää lämmönsiirtoa ja kemiallisia reaktioita. Menetelmä perustuu Navier–Stokesin yhtälöihin sekä energian tasapainoon, ja mahdollisesti reaktiomallinnukseen. Geometrian ja aineiden ominaisuuksien määrittämisen jälkeen muodostetaan matemaattinen malli, jonka ratkaisuja etsitään numeerisesti tietokoneella. Tuloksina saadaan virtaus-, paine-, lämpötila- ja sekoitusprofiileja.

Keskeisiä ratkaisutapoja ovat verkon laadusta riippuvat menetelmät: Finite Volume Method (FVM), Finite Element Method (FEM) sekä tarvittaessa Finite Difference Method (FDM). Turbuliteiden mallintaan käytetään malleja kuten RANS, Large-Eddy Simulation (LES) tai Direct Numerical Simulation (DNS). Valittu malli vaikuttaa simuloinnin tarkkuuteen, kustannuksiin ja vaadittavaan laskentatehoon.

Työnkulku alkaa geometrian ja meshin valmistelulla, aineiden ominaisuuksien sekä reunaehtojen määrittämisellä, ratkaisuilla ja post-processingilla. Verifiointi ja validointi (V&V) ovat keskeisiä: verifiointi varmistaa, että laskenta ratkaisee mallin oikein, validointi vertaa tulokset kokeellisiin mittauksiin ja toteutuneeseen fysikaaliseen käyttäytymiseen.

Sovelluksia ovat ilmailu- ja autoteollisuus, rakennukset (HVAC), laivat ja offshore-teollisuus sekä kemian- ja prosessiteollisuus. CFD-mallinnuksen tulokset sisältävät virtaus- ja painekentät, lämmöntuontaa ja sekoituskoostumuksia sekä erilaisten optimoitavien suunnitteluasioiden kvantitatiivisia mittareita, kuten ilmanvastusta tai lämmöneristystä koskevia arvoja.

Rajoitteina ovat riippuvuus mallinnuksesta, turbulenssimallien valinnasta ja laskennallinen kustannus. Kehitystrendejä ovat tarkemmat turbulenssimallit, monifaasiset ja moniprosessiset virtauskuvat sekä suurten laskentakapasiteettien hyödyntäminen pilvi- ja HPC-ympäristöissä.