Stromingssimulaties

Stromingssimulaties zijn numerieke berekeningen die het gedrag van vloeistoffen en hun transportprocessen modelleren. Ze vallen onder de tak van computational fluid dynamics (CFD). Het doel is om stromingsvelden, drukken, temperaturen en mengen te voorspellen in situaties waar experimenteel onderzoek lastig of duur is.

De basiswetten van stromingen worden beschreven door de continuïteitsvergelijking en de Navier–Stokes-vergelijkingen voor Newtoniaanse vloeistoffen, eventueel aangevuld met energietermen. Oplossingen worden verkregen met discretisatie- en oplossingsmethoden, meestal via de finite-volume-methode (FVM); ook finite-element- (FEM) en finite-difference-methoden komen voor. Turbulente stromingen worden vaak behandeld met modellen zoals RANS, LES of DNS. Stromingssimulaties kunnen steady zijn of unsteady en vereisen een afweging tussen nauwkeurigheid en rekentijd.

Bij het opzetten van een simulatie spelen domein, mesh en randvoorwaarden een cruciale rol: invoerprofielen, uitgangen, wanden met no-slip- of slip-voorwaarden en periodiciteit. Het domein wordt discretiseerd in een netwerk van cellen of elementen; de kwaliteit van de mesh beïnvloedt de betrouwbaarheid van de resultaten.

Toepassingen omvatten de aerodynamica van voertuigen en vliegtuigen, HVAC in gebouwen, stroming in kanalen en riolering, transport van verontreinigingen en warmte in milieuproblemen, en stromingen in biomedische toepassingen. Verificatie en validering (V&V) zijn essentiële stappen om de betrouwbaarheid van de simulaties te beoordelen.

Beperkingen zijn rekentijd en kosten, onzekerheden in turbulentie-modellen, en gevoeligheid voor meshkwaliteit en schematische keuzes. Toekomstige ontwikkelingen richten zich op snellere solvers, adaptieve meshing, multi-physics-simulaties en het gebruik van machine-learning-surrogate-modellen en high-performance computing.