Jednym z działów mechaniki jest mechanika ośrodków ciągłych, a w jej zakresie leży mechanika płynów. Zajmuje się ona analizą ruchu płynów rozumianych nie tylko jako ciecze, ale również gazy. Pozwala ona określić własności płynu w zależności od jego położenia oraz czasu. W obliczeniowej mechanice płynów, w rozwiązywaniu równań opisujących zachowanie płynów zastosowanie znajdują metody numeryczne.

CFD – co to jest?

CFD to skrót angielskiego terminu Computational Fluid Dynamics tłumaczonego jako obliczeniowa mechanika płynów lub numeryczna mechanika płynów. Jest to wirtualne laboratorium, w którym projekty są testowane, optymalizowane, a także weryfikowane. Badania te odbywają się na komputerach o odpowiednio dużej mocy obliczeniowej, a ich wynikiem, tak samo, jak w testach rzeczywistych, jest zbiór danych dotyczących przepływu, między innymi pole prędkości czy rozkład temperatur. Atutem zastosowania metody numerycznej w mechanice płynów jest przy tym brak ograniczenia w postaci liczby czujników i kamer rejestrujących zjawiska. Symulacja numeryczna pozwala niejako zajrzeć do wewnątrz i zmierzyć dowolną wielkość fizyczną w dowolnym punkcie przepływu.

To jednak nie koniec zalet analizy CFD prowadzonej między innymi przez biuro obliczeniowe OpenSim. Pozwala ona testować kilka różnych projektów jednocześnie. To wyjątkowo pomocne w sytuacji, gdy chcemy porównać ze sobą kilka projektów danego produktu. W laboratorium przeprowadzającym testy rzeczywiste zajęłoby to dużo czasu, a do tego pojawiłaby się konieczność zbudowania prototypu dla każdego wariantu produktu. W analizie numerycznej natomiast wykorzystywany jest model CAD, a komputer o odpowiedniej mocy obliczeniowej jest w stanie uruchomić równolegle wiele testów wirtualnych. Z każdego otrzymamy zbiór danych, który pozwoli wybrać optymalne rozwiązanie.

Zastosowanie analizy numerycznej

Mechanika płynów, a tym samym numeryczna mechanika płynów, obejmuje ciecze, gazy i plazmy, a także działające na nie siły. Substancje te otaczają nas z każdej strony, biorą udział w wielu zjawiskach fizycznych oraz wykorzystywane są do rozmaitych celów. Głównym obszarem zastosowań analizy CFD jest zatem inżynieria, w tym mechaniczna, chemiczna czy biomedyczna. Dane dostarczone drogą symulacji numerycznej są przydatne nie tylko przy opracowywaniu nowych produktów, ale też przy udoskonalaniu już istniejących. Będą zatem niezastąpione w projektowaniu urządzeń czy systemów, które w swojej pracy wykorzystują ciecze lub gazy. W ten sposób badane są przepływy:

  • w urządzeniach wirnikowych,
  • wewnętrzne i zewnętrzne,
  • turbulentne,
  • przepływy wielofazowe,
  • spotykane w przemyśle (budownictwo, energetyka, automotive itd.).

Analizy CFD można wykorzystać w zagadnieniach aerodynamiki samolotów i samochodów, maszyn wirnikowych (sprężarki, turbiny, wentylatory), hydrauliki, medycyny (przepływy przez narządy układu oddechowego i krwionośnego) oraz wiele innych.