Midas NFX – Narzędzie inżynierskie do analizy przepływów

Zaawansowane problemy obliczeniowe CFD są solą w oku niejednego inżyniera. Rozwiązania współczesnej techniki i dynamiczny rozwój nowych technologii powodują jednak, że dla wielu dziedzin przemysłu stają się one codziennością. Tam, gdzie zespołowi wykwalifikowanych ekspertów jeszcze kilkanaście lat temu skomplikowane obliczenia zajmowały miesiące, a nawet lata, z pomocą przychodzą rewolucyjne programy eksperckie, takie jak Midas NFX.

Stosowanie obliczeń numerycznych pozwoliło na bardzo dynamiczny rozwój zarówno nauk poświęconych metodzie elementów skończonych, jak również wszelkich gałęzi przemysłu, które mogą ją wykorzystywać. Dzięki coraz to większym możliwościom jednostek obliczeniowych, czas jaki jest potrzebny na ich przeprowadzenie, został znacznie skrócony. Wraz z wprowadzaniem na rynek nowych i rozwojem już istniejących solverów, wykorzystujących różne algorytmy do przeprowadzania symulacji na modelach, warto przyjrzeć się możliwościom, jakie niesie ze sobą oprogramowanie Midas NFX w zakresie obliczeń dynamicznych przepływów w maszynach wirnikowych.

Do obliczeń przepływów w urządzeniach obrotowych, Midas NFX wykorzystuje dwa podejścia numeryczne, które różnią się od siebie głównie rodzajem analizy oraz układem odniesienia. Aby wybrać odpowiednie podejście obliczeniowe należy zastanowić się, a następnie ustalić, czy zachodzi potrzeba wykonania analizy w danym kroku czasowym czy zmienna czasu może zostać pominięta, a istotny jest jedynie wynik końcowy symulacji.

W przypadku, kiedy konieczne jest otrzymanie wyników symulacji z uwzględnieniem czasu, pierwsza technika obliczeniowa powinna zostać zaimplementowana. Uwzględnia ona metodykę Sliding Mesh, która podlega na symulacji faktycznego ruchu elementu wirującego podczas analizy CFD. Wspomniana metodyka wymaga zdefiniowania osobnych siatek elementów skończonych – wirującej oraz stacjonarnej, połączonych ze sobą za pomocą kontaktu typu Sliding Contact, który umożliwia przepływ informacji takich jak prędkość oraz ciśnienie. Należy również wspomnieć, że w przypadku definicji kontaktu typu Sliding Mesh, węzły obu siatek nie mogą być ze sobą połączone, w innym wypadku analiza nie zostanie przeprowadzona poprawnie. Podczas analizy symulowany jest faktyczny ruch elementów rotacyjnych, dlatego konieczna w programie Midas NFX jest aktywacja modułu Mesh Deformation aby umożliwić symulację ruchu.

Metoda Sliding Mesh posiada szereg korzyści jak i kilka wad, o których należy wspomnieć. Wspomniana technika pozwala na przeprowadzenie analizy z uwzględnieniem faktycznych warunków pracy, dzięki czemu istnieje możliwość otrzymania bardzo dokładnych wyników w poszczególnym kroku czasowym.

Wady metody Sliding Mesh obejmują długi czas wykonywania obliczeń, ponieważ wymaga ona bardzo małego przyrostu czasu w celu uzyskania zbieżności, a także małego rozmiaru elementów, aby uzyskać dokładne wyniki, co prowadzi do wygenerowania dużej liczby elementów skończonych.

Podsumowując wyżej opisaną metodę, przeprowadzenie analizy z wykorzystaniem techniki Sliding Mesh wymaga dużej ilości czasu oraz mocy obliczeniowej procesora, lecz pozwala na otrzymanie dokładnych wyników oraz ich analizę w funkcji czasu.

Drugie podejście obliczeniowe zakłada przeprowadzenie analizy w stanie ustalonym (Steady State), w której wynik końcowy symulacji nie jest zależny od zmiennej czasu. Program Midas NFX wykorzystuje metodę MRF (Moving Reference Frame), w której w przeciwieństwie do pierwszej metody, algorytm obliczeniowy nie symuluje faktycznego ruchu elementu wirującego, lecz wprawia w ruch medium, w którym element jest zanurzony. W metodzie MRF element rotacyjny jest z założenia stacjonarnym układem odniesienia dla algorytmu obliczeniowego. Solver rozwiązuje równania ruchu odnosząc się zarówno do strefy obrotowej, jak i strefy stacjonarnej. Podczas symulacji na medium nałożony jest warunek ruchu, a elementy obrotowe są stacjonarne, więc MRF symuluje sytuację odwrotną do rzeczywistego zjawiska. Oczywiście program Midas NFX uwzględnia również w obliczeniach efekt Coriolisa, który pojawia się, gdy ciało porusza się w obracającym się układzie odniesienia. Analiza przepływu wymaga zdefiniowania osobnych siatek elementów skończonych połączonych ze sobą węzłowe w celu zachowania przepływu informacji.

Ogromną zaletą opisanej metody jest czas potrzebny do przeprowadzenia analizy, który w zależności od wielkości modelu obliczeniowego, jest do 5 razy mniejszy w porównaniu do metody Sliding Mesh. Główną wadą MRF jest otrzymanie mniej dokładnych wyników analizy oraz brak możliwości śledzenia symulacji zjawiska w poszczególnym kroku czasowym.

Podsumowując, każda z opisanych wyżej metod ma swoje zalety jak i wady. Metoda Sliding Mesh, z uwagi na jej dokładność oraz możliwość śledzenia zachodzących zmian w czasie rzeczywistym, może być kusząca dla inżyniera wykonującego obliczenia numeryczne, jednak nie zawsze jest rozsądnym wyborem biorąc pod uwagę czas potrzebny na przeprowadzenie obliczeń, który może być kilka razy dłuższy niż w przypadku metody MRF. Natomiast metoda ruchomej ramki odniesienia (MRF), choć nie tak dokładna jak pierwsza, jest bardziej odpowiednia dla analiz, w których zmienna czasowa nie odgrywa znaczącej roli i ważnym aspektem przeprowadzenia obliczeń jest, aby uzyskać wyniki analiz stosunkowo szybko.

Przykład porównania obu metod przedstawiono poniżej. Podobny projekt wirnika został zrealizowany dla klienta przez firmę KOMES i KOMES WATER.

Autor: Karolina Pawluć

Rys 1 Generowanie właściwości siatki elementów skończonych – metoda MRF