Poznaj zagadnienia związane z wymianą ciepła - Computational Fluid Dynamics

Oprogramowanie Autodesk® CFD umożliwia tworzenie komputerowych symulacji dynamiki płynów, które inżynierowie i analitycy wykorzystują do inteligentnego przewidywania zachowania cieczy i gazów. Pozwala na realizację symulacji w układzie 2D, 3D oraz osiowosymetrycznym 2D.

Oprogramowanie do analizy CFD umożliwia skuteczniejsze wykonywanie analiz wymiany ciepła, dzięki czemu inżynierowie mechaniki i budowy maszyn mogą szybciej podejmować kluczowe decyzje bez konieczności opuszczania stanowiska i konsultowania się ze specjalistami ds. Computational Fluid Dynamics. Ten zintegrowany z trójwymiarowym środowiskiem CAD, intuicyjny proces umożliwia projektantom optymalizowanie produktu na poszczególnych etapach jego tworzenia, obniżając koszty produkcji szerokiej gamy projektów i systemów mechanicznych.

Oprogramowanie Computational Fluid Dynamics – CFD

Do niedawna oprogramowanie komercyjne do Computational Fluid Dynamics było tworzone z myślą o specjalistach w tej dziedzinie, co ograniczało jego powszechne stosowanie. Narzędzie to, poza wysoką ceną było skomplikowane, kłopotliwe w obsłudze oraz czasochłonne. Przez to analiza inżynieryjna takich zagadnień, jak wymiana ciepła była tradycyjnie wykonywana przez specjalistów z działów analizy, odrębnych wobec działów projektowych i rozwoju produktów.

W celu przetestowania lub zweryfikowania projektów inżynierowie mechaniki i budowy maszyn musieli polegać na prototypach testowanych za pomocą urządzeń badawczych. To pracochłonne podejście skutkowało niepełnymi wynikami, które były ograniczone do odczytów w odrębnych lokalizacjach, co utrudniało dokładne zrozumienie i scharakteryzowanie zachodzących zjawisk termicznych.

Pojawiły się nowe narzędzia oferujące pełną gamę analiz przepływu, w tym symulacje wymiany ciepła, w znanych, trójwymiarowych środowiskach CAD, takie jak oprogramowanie projektowe SOLIDWORKS 3D. Technologia stanowiąca podstawę oprogramowania SOLIDWORKS Flow Simulation jest adresowana do inżynierów mechaniki i budowy maszyn. Dzięki oprogramowaniu SOLIDWORKS Flow Simulation nie jest konieczne zatrudnianie ani szkolenie specjalistów ds. CFD, zlecanie analiz konsultantom ani też przeprowadzanie kosztownych testów na licznych prototypach.

Każdy projektant posiadający standardowe kwalifikacje, niezależnie od wielkości firmy, w której pracuje, może wykorzystać swoją wiedzę do wykonywania analiz wymiany ciepła w znanym, trójwymiarowym środowisku CAD. Oprogramowanie SOLIDWORKS Flow Simulation może poprawić produktywność projektową oraz znacznie obniżyć liczbę prototypów wymaganych do testów. Co więcej, zachęca ono inżynierów do analizowania większej liczby możliwych scenariuszy, dzięki czemu projekty stają się doskonalsze.

Z pewnością mogą zdarzyć się przypadki wymagające bardziej rozległej wiedzy z zakresu CFD do precyzyjnej regulacji ustawień siatki lub analizatora w celu znalezienia optymalnego rozwiązania. Jednak dzięki uwolnieniu CFD z domeny specjalistów i udostępnieniu jej w formie oprogramowania SOLIDWORKS Flow Simulation, inżynierowie bez specjalistycznych szkoleń z zakresu Computational Fluid Dynamics mogą analizować problemy w czasie o 65-75% krótszym niż za pomocą narzędzi tradycyjnych. Z perspektywy projektantów ma to znaczenie kluczowe dla efektywności ich pracy.

 Analiza wymiany ciepła w trójwymiarowym środowisku CAD

Oprogramowanie do tworzenia projektów mechanicznych SOLIDWORKS i oprogramowanie SOLIDWORKS Flow Simulation CFD tworzą kompleksowe środowisko inżynieryjne do ewaluacji wymiany ciepła przez połączenie w całość wszystkich faz analizy — od projektowania modeli bryłowych, przez konfigurowanie problemu i jego rozwiązanie oraz wizualizację wyników i optymalizację projektu, po generowanie raportów.

Dzięki oprogramowaniu SOLIDWORKS Flow Simulation projektanci mogą skupić się na szczegółowej analizie rozkładu temperatur w strefach ciekłych i stałych produktu. Umożliwia ono także analizę skomplikowanych procesów fizycznych, takich jak przewodzenie ciepła, konwekcja, sprzężona wymiana ciepła między cieczami i otaczającymi je materiałami stałymi, promieniowanie, nagrzewanie rezystancyjne bezpośrednie i wiele innych za pomocą możliwych scenariuszy.

Inżynierowie mogą błyskawicznie zmodyfikować i zoptymalizować geometrię projektu w trójwymiarowym narzędziu CAD, tak jak na poniższej ilustracji przedstawiającej wizualizację chłodnicy oleju po symulacji w oprogramowaniu SOLIDWORKS Flow Simulation.

Narzędzie SOLIDWORKS Flow Simulation obsługuje wszystkie trzy tryby wymiany ciepła (przewodzenie, konwekcję i promieniowanie) w trójwymiarze, dzięki czemu umożliwia analizę szerszego spektrum zastosowań. Typowe zastosowania analizy temperatury można znaleźć m.in. w wymiennikach ciepła, układach chłodzenia wtryskarek, procesach sterylizacji w przetwórstwie spożywczym, wieżach słonecznych, systemach laserowych, hamulcach i wielu innych. W przypadku wymiennika ciepła inżynierowie mogą nie tylko zmierzyć wydajność termiczną urządzenia, ale także są w stanie przewidzieć spadek ciśnienia w wymienniku. Dzięki połączeniu tych parametrów w jeden model można projektować lepsze produkty.

Punktem wyjściowym każdej analizy wymiany ciepła jest określenie ogólnych warunków brzegowych problemu. W skład rozwiązania SOLIDWORKS Flow Simulation wchodzi kreator nadzorujący konfigurację, w tym dobór właściwości materiałowych. Oprogramowanie SOLIDWORKS Flow Simulation umożliwia projektantowi wykorzystanie w analizie istniejących, trójwymiarowych modeli CAD bez konieczności eksportowania lub importowania dodatkowych danych, co oszczędza czas i zasoby. Dostępny w oprogramowaniu SOLIDWORKS Flow Simulation zestaw narzędzi może symulować projekty w warunkach rzeczywistych, wykorzystując nowo utworzoną lub istniejącą, trójwymiarową geometrię CAD oraz informacje dotyczące modeli bryłowych.

Po utworzeniu modelu należy stworzyć jego siatkę. Tworzenie siatek jest jedną z umiejętności, która niegdyś odróżniała specjalistów ds. CFD od inżynierów mechaniki i budowy maszyn. Za pomocą oprogramowania SOLIDWORKS Flow Simulation siatki są tworzone automatycznie i zajmuje to tylko kilka minut, nie wymagając wielogodzinnego i mozolnego proporcjonowania obszarów i komórek. Oprogramowanie SOLIDWORKS Flow Simulation tworzy siatkę adaptacyjną, która zmniejsza rozmiar komórek, zwiększając rozdzielczość analizy. Dzięki temu powstaje bardziej precyzyjna symulacja wyników w złożonych obszarach modelu, co widać zdjęciu.

Rozwiązywanie złożonych problemów związanych z wymianą ciepła

Podczas analizy wymiany ciepła ważnym krokiem jest stworzenie siatki obliczeniowej umożliwiającej zobrazowanie złożonej geometrii systemu lub urządzenia. Mimo swojej prostoty siatka jest podstawą skomplikowanych obliczeń Computational Fluid Dynamics. Powierzchnia urządzenia zostaje odwzorowana do postaci niewielkich, prostokątnych komórek, które są dzielone na objętości stałe i płynne, a następnie oddzielnie analizowane. W procesie powstaje wynik złożony obejmujący wszystkie komórki.

Oprogramowanie SOLIDWORKS Flow Simulation w sposób szczegółowy wizualizuje rozpraszanie ciepła w projekcie, dzięki czemu inżynier zyskuje cenne informacje umożliwiające podjęcie decyzji projektowych. Funkcje wizualizacji umożliwiają gruntowną weryfikację projektu.

Jednym ze sposobów badania pola temperaturowego jest użycie wykresu przekrojowego (ang. cut plot) przedstawiającego dystrybucję ciepła w przekroju modelu (patrz Ilustracja 3). Wykres przekrojowy wyników można wyświetlić z dowolnym parametrem, a jako reprezentację graficzną wybrać wykres warstwicowy, izolinie lub wektory. Można go także utworzyć w dowolnej kombinacji, np. wartości i wektorów prędkości. Poza wykresami przekrojowymi, w łatwy sposób wyświetlany jest wykres powierzchniowy dla dowolnej powierzchni zewnętrznej lub automatycznie dla całego modelu.

Rozwiązywanie problemów z dystrybucją ciepła to proces iteracyjny. Po zapoznaniu się ze wstępnymi wynikami analizy większość projektantów chce modyfikować swoje modele, aby sprawdzać różne scenariusze. SOLIDWORKS Flow Simulation ułatwia wykonywanie tego rodzaju analiz możliwych scenariuszy. Projektanci mogą testować alternatywne rozwiązania, wykrywać wady konstrukcyjne i optymalizować wydajność produktu przed stworzeniem szczegółowych planów lub prototypów. Dzięki temu inżynier jest w stanie szybko i łatwo oddzielić najbardziej obiecujące projekty od tych o znikomym potencjale.

Aby testować alternatywne rozwiązania, w oprogramowaniu SOLIDWORKS Flow Simulation można tworzyć duplikaty modelu bryłowego, które automatycznie zachowują wszystkie dane analityczne dotyczące np. źródeł ciepła i innych warunków brzegowych. Po zmodyfikowaniu modelu bryłowego przez inżyniera można go natychmiast przeanalizować bez konieczności ponownego nanoszenia warunków brzegowych i właściwości materiałowych.

W przypadku tradycyjnego oprogramowania CFD po każdej zmianie geometrycznej konieczne jest ponowne utworzenie siatki, co zwykle wiąże się z ręcznym wykonywaniem czasochłonnych czynności. Oprogramowanie SOLIDWORKS Flow Simulation błyskawicznie przelicza zmiany geometryczne i automatycznie tworzy nową siatkę, uwzględniając zdefiniowane wcześniej warunki brzegowe. Dzięki temu można w krótszym czasie przejść od zmiany geometrii przez znalezienie rozwiązania do analizy wyników. Oprogramowanie to wspomaga także analizę parametrów np. umożliwia przeprowadzenie wielokrotnej analizy z wykorzystaniem otworów wentylacyjnych o różnej wielkości w celu znalezienia optymalnego rozwiązania pod kątem dystrybucji ciepła. Jak wynika z powyższych przykładów narzędzie SOLIDWORKS Flow Simulation skraca iteracyjny proces projektowania, umożliwiając inżynierom szybkie i łatwe doskonalenie projektu dzięki wykorzystaniu wiedzy zdobytej na etapie analizy.

Kominikacja między inżynierami lub oddziałami firmy

Po uzyskaniu wyników inżynier ds. produktu musi przesłać raport przełożonym. Oprogramowanie Flow Simulation jest w pełni zintegrowane z programami Microsoft® Word® i Excel®, dzięki czemu inżynierowie mogą tworzyć raporty i gromadzić istotne dane w formie graficznej z poziomu dowolnego projektu SOLIDWORKS Flow Simulation. Oprogramowanie to automatycznie generuje arkusze kalkulacyjne programu Excel zawierające podsumowanie wyników analizy, dzięki czemu tworzenie raportów końcowych jest wyjątkowo łatwe.

Za pomocą SW Flow Simulation inżynier ds. produktu może utworzyć raport niestandardowy zawierający warunki brzegowe, właściwości materiałowe, definicję siatki i wykresy wyników w postaci pliku programu Word. Taki raport jest ważnym dokumentem projektowym archiwizowanym często w systemie zarządzania danymi.

Następny poziom komunikacji to możliwość przekazania wyników symulacji w 3D, aby ułatwić ich zrozumienie zarówno interesariuszom, jak i współpracownikom. Najlepszym sposobem prezentowania wyników w 3D są rysunki eDrawing będące trójwymiarowym narzędziem komunikacyjnym SOLIDWORKS. Inżynierowie ds. produktu mogą zapisać wyniki CFD w 3D, aby ich współpracownicy mogli je przeglądać na dowolnym urządzeniu