105x
001912
5.11.2024

CFD nebo větrný tunel? 6 nejdůležitějších výhod digitální simulace proudění pro inženýry

V tomto příspěvku nastíníme výhody použití CFD (Computational Fluid Dynamics), zejména ve srovnání s konvenčním testováním ve větrném tunelu.

Simulace zatížení větrem může hrát rozhodující roli při navrhování konstrukcí, zejména při návrhu výškových budov, kde síly větru významně ovlivňují stabilitu konstrukce, pohodlí obyvatel a okolní prostředí. Proto je třeba vizualizovat a předvídat složité modely větru ovlivňující rozložení tlaku, proudění vzduchu a místní mikroklima, aby tyto budovy splňovaly požadavky nejen z hlediska estetického a vizuálního, ale také z hlediska bezpečnosti a odolnosti.

Pro začlenění těchto faktorů do vašich statických návrhů nabízí Dlubal Software RWIND 3, program speciálně vyvinutý pro simulaci proudění vzduchu okolo objektů ve virtuálním větrném tunelu. Pomocí numerického modelu CFD (Computational Fluid Dynamics) tato simulace vytváří přesná zatížení větrem pro použití v programu RFEM nebo RSTAB. Program RWIND 3 tak může fungovat jako samostatný program nebo ho lze integrovat do programů RFEM a RSTAB a poskytnout tak komplexní řešení pro statickou analýzu a posouzení.

Následující text nastíní výhody použití CFD, zejména na rozdíl od konvenčních zkoušek ve větrném tunelu. Hlavní rozdíly mezi CFD a testováním ve větrném tunelu spočívají v jejich metodologii, nákladech, flexibilitě a schopnosti řešit složité scénáře, které budou popsány dále. Pro tuto chvíli je důležité si uvědomit, že CFD používá matematické algoritmy a numerické metody pro digitální modelování chování kapalin a diskretizační techniky pro analýzu pohybu vzduchu nebo kapalin. Testování ve větrném tunelu naproti tomu umísťuje fyzikální modely do prostředí s kontrolovaným větrem, kde se pomocí senzorů a manometrů shromažďují skutečné údaje o proudění vzduchu, což poskytuje přímé výsledky experimentů. V této souvislosti můžeme dále prozkoumat, v čem se tyto dvě metody liší, a zdůraznit výhody CFD.

1. Efektivita nákladů

CFD simulace mohou být nákladově efektivnější než stavba a údržba větrných tunelů, zejména u složitých experimentů s mnoha konfiguracemi. Ačkoli počáteční investice do CFD softwaru a výpočetních zdrojů mohou být značné, po zavedení lze provést celou řadu simulací bez dalších nákladů na materiál a zaměstnance. Kromě toho je zapotřebí méně prostředků pro analýzu jednotlivých variant. Naproti tomu testování ve větrném tunelu může být nákladné, zejména u velkých nebo složitých modelů, přičemž každý test vyžaduje značné množství času a úsilí na přípravu.

2. Flexibilita a možnosti modifikace

CFD umožňuje rychlý návrh, iteraci a analýzu a umožňuje snadnou úpravu parametrů, jako je rychlost, hustota a teplota větru, a také zahrnutí dalších součinitelů. Simulace tak mohou být rychle spouštěny a upravovány, aniž by bylo nutné provést fyzické změny nastavení při testování ve větrném tunelu, kde úpravy často zahrnují vytváření nových modelů nebo úpravu stávajících. Spuštění více scénářů v krátkém časovém rámci je při testování ve větrném tunelu méně proveditelné, a proto je CFD v tomto ohledu lepší.

3. Časová náročnost

Tato výhoda vyplývá přímo z výše uvedené flexibility, která umožňuje rychlé úpravy parametrů bez fyzických úprav nastavení. Jak již bylo zmíněno výše, CFD umožňuje rychle spustit více scénářů, což nabízí jasnou výhodu v časové efektivitě.

4. Možnosti simulace

CFD poskytuje velmi detailní vizualizaci charakteristik proudění, rozdělení tlaku a teplotních změn s pozoruhodnou zrnitostí. Umožňuje přesnou analýzu scénářů, které může být obtížné modelovat ve fyzickém větrném tunelu z důvodu omezení velikosti nebo rychlosti, jako jsou například extrémně vysoké rychlosti nebo složité geometrie. CFD může simulovat tyto podmínky bez fyzikálních omezení. Zatímco větrné tunely fyzikálně kopírují proudění vzduchu a často poskytují větší přesnost při simulaci interakcí mezi vzduchem a tělesy, jsou omezeny na data z určitých měřicích bodů a poskytují méně komplexní detaily ve srovnání s CFD.

5. Přístupnost

Díky pokroku ve vývoji softwaru a cloud computingu je výpočetní dynamika tekutin (CFD) mnohem přístupnější a zpřístupňuje ji širšímu publiku. Open-source CFD nástroje jako OpenFOAM například poskytují bezplatný přístup k robustním simulačním funkcím. Vzhledem k tomu, že CFD lze provádět výhradně ve virtuálním prostředí, umožňuje výzkumníkům bez přístupu k větrným tunelům provádět podrobné studie a analýzy.

6. Integrace s moderními technologiemi

Další výhodou dostupných moderních CFD nástrojů je jejich integrace s jiným inženýrským softwarem, což usnadňuje pracovní postup od návrhu po simulaci a umožňuje multidisciplinární přístup k návrhu a analýze. Nejlepším příkladem je použití CFD nástrojů s programy RFEM a RSTAB společnosti Dlubal Software, které poskytují kompletní řešení pro statické výpočty a posouzení.

Slova závěrem

CFD testování a testování ve větrném tunelu se liší nejen metodikou, ale také požadavky na zdroje a čas, flexibilitou, kapacitou pro zvládnutí složitých scénářů, uživatelskou přístupností a integrací s jiným softwarem. Tento text poukazuje na výhody CFD v těchto oblastech, které se týkají jeho vysoké flexibility a detailů při nižších provozních nákladech a schopnosti zkoumat chování vzduchu ve složitých konstrukcích. Je však třeba si uvědomit, že navzdory těmto výhodám je testování ve větrném tunelu klíčové pro ověření CFD modelů a pro zachycení jevů, jejichž přesná simulace může být náročná. Stručně řečeno, CFD je zvláště cenná pro návrhové studie, testování prototypů a analýzu složitých dynamických scénářů, které se obtížně opakují ve větrném tunelu, zatímco testování ve větrném tunelu slouží jako poslední krok pro ověření modelů a pro provedení přesných aerodynamických posouzení. Ve většině případů nabízí kombinace CFD a testování ve větrném tunelu to nejlepší z obou metod, přičemž se využívá jejich vzájemně se doplňujících silných stránek.


Autor

Ing. Kirova je ve společnosti Dlubal zodpovědná za tvorbu odborných článků a poskytuje technickou podporu zákazníkům.

Odkazy


;