Аэрогидродинамические расчеты

Вычислительная гидрогазодинамика (CFD, Computational Fluid Dynamics) широко применяется как в традиционных для нее отраслях: авиации, судостроении, про­ектировании автомобилей, так и при создании бытовой техники, полиграфиче­ского и медицинского оборудования и т. п. Расчеты осуществляются с использованием численных методов и алгоритмов для решения и анализа задач течений жидкостей и газов, как правило, состоящих в решении уравнений Навье-Стокса методами конечных объемов, конечных элементов, конечных разностей и др. Со­временные программные комплексы для моделирования течений в жидкости и газах позволяют рассчитывать широкий диапазон течений по числу Маха, много­фазные и многокомпонентные течения, течения в несжимаемых жидкостях.

При рассмотрении актуальных промыш­ленных задач расчетная модель должна обес­печивать точную передачу геометрии без упрощений, характерных для задач расчета напряженно-деформированного состояния.

В ряде случаев даже наличие геометрической симметрии в модели не позволяет рассматривать половину модели ввиду несимметричности течения. Это приводит к серьезному увеличению размерности и увеличению времени счета. Характер­ные размерности для задач внешнего обтекания могут быть до 50 млн элементов и более, в зависимости от детализированности геометрии и примененных расчет­ных моделей.

Пример расчета гидродинамики центробежного насоса показан на рис. 8.7.

Рис. 8.7 Расчет течения в вихревом насосе

Первоначально вычислительная гидроаэродинамика использовалась приме­нительно к задачам проектирования авиационной, космической техники и судо­строения. С развитием программных средств и повышением производительности настольных ПК она находит все более широкое применение и в других отраслях. Некоторые, ставшие привычными продукты было бы очень трудно спроектиро­вать без ее использования, например струйные принтеры (см. рис. 8.8). Использование CFD при проектировании струйных принтеров оправдано и дает ряд преимуществ для изучения того, как форма, размер и скорость испускаемой капли зависят от таких параметров, как импульс управляющего давления, форма форсунки, коэффици­ент поверхностного натяжения, и многое другое.

Другим примером использования CFD для создания бытовых продуктов мож­но назвать моделирование течений в водопроводных и канализационных систе­мах. Одним из весьма сложных для расчета объектов является обычный унитаз (см. рис. 8.9).

Рис. 8.8 Моделирование образования капли в струйном принтере

Рис. 8.9 Моделирование течений со свободной поверхностью при сливе воды в унитазе

Вычислительная аэродинамика сегодня широко используется для проектиро­вания систем вентиляции электроаппаратуры и помещений, оценки нагрузок на жилые и промышленные здания, мосты, гидротехнические сооружения и др.