9. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ГИДРОГАЗОДИНАМИКА

Вычислительная динамика текучей среды (CFD) обеспечивает понимание процессов неустановившегося и турбулентного потоков. Принципы механики, управляющие текучими средами и твердыми телами одинаковые. CFD использует численные методы, такие как метод конечных элементов, метод конечных разностей, метод граничных элементов, и метод конечных объемов. Это позволяет анализировать и оптимизировать структурную геометрическую компоненту для эффективного потока текучей среды и рассматривать давление, скорость и температуру в потоке.

Динамика изучает движение объектов. Текучая среда фактически означает, что это не твердое тело, так что и воздух и вода являются текучими средами с этой точки зрения. Текучие среды рассматриваются как любая "бесформенная" субстанция, которая не будет оставаться в покое при скользящем напряжении. Примеры задач, которые могут быть решены с помощью CFD: A.   Висение влажной одежды для сушки. B.   Горение бензина в автомобильном двигателе. C.   Плавание судна. D.   Струя воды, вытекающая из сопла под давлением. E.   Растворение. F.   Таяние, кипение. G.   Механическое движение лопасти вентилятора. H.   Поток газа в реактивном двигателе.

В CFD анализе уравнения Навье-Стокса имеют форму большой системы нелинейных уравнений. Есть три фундаментальных принципа вычислительной динамики текучей среды: Энергия сохраняется Масса сохраняется Импульс сохраняется Температура, давление, три скоростных компонента, и плотность - типичные переменные для потока течения. Переменные потока могут быть сохранены в центре вычислительной ячейки (методы Центрированной ячейки) или в вершинах ячейки (методы Вершин Ячейки или Центрирование в вершинах). Акустическая модель течения самая простая: течение передает только волны давления, движения частиц потока небольшие. Только одна степень свободы (потенциал) должна быть рассчитана в каждом узле конечного элемента при анализе на основе потенциала

CFD моделирует установившийся и неустановившийся воздушный поток в граничных слоях. Сетка создана для того, чтобы представить форму воздушного потока окружающего тело. Более плотная сетка в граничных слоях. В зонах с турбулентным потоком требуется более мелкая сетка. Зона A для воды падающей с уступа - пример такой зоны.

Существуют два различных количественных результата для потока воды под давлением с постоянной низкой скоростью (< 5 см/с) из щели в воздушную камеру: 1. Существуют два различных количественных результата для потока воды под давлением с постоянной низкой скоростью (< 5 см/с) из щели в воздушную камеру: 2. Расширение потока в центре может быть вызвано числовыми ошибками в граничном слое между водой и воздухом.

Грубую оценку турбулентности можно произвести с помощью числа Рейнольдса Re. Re это отношение сил инерции течения к силам вязкости. Вне граничного слоя течение не зависит от числа Рейнольдса. Силы вязкости незначительны, если число Рейнольдса имеет большое значение. n - кинематическая вязкость текучей среды; L и U - характерная длина и масштабы скорости для потока.

Результатом CFD моделирования являются цветные контуры давления, скорости и температуры. Вопреки твердым телам, где концентрация напряжения обычно имеет место в вырезах или отверстиях, концентрация CFD параметров может наблюдаться на гладкой поверхности. Сверхзвуковой поток в реактивном двигателе с острым выступом: первая ударная волна приходится на острие выступа и ударяет на внутреннюю поверхность сопла. Это - область концентрации давления.

Относительная трудность или легкость анализа на базе CFD зависят от размерности во времени (изменение или не изменяется во времени), размерность в пространстве (одно-, двух- или трехмерное пространство), сложности геометрии тел и сложности граничных условий влияющих на поток.
Если доступные компьютерные ресурсы не достаточны для необходимой числовой точности и для входных данных были сделаны допущения, то результат моделирования на основе CFD может быть ненадежен.
Надежность выше для ламинарного потока, чем для турбулентного и для химически инертных, чем для химически агрессивных газов.