تغییر CFD

دینامیک سیال محاسباتی (CFD) یک فناوری مکانیک سیال اصلی است ، که در آن از آنالیز عددی و ساختار داده برای تجزیه و تحلیل و حل میزبان مشکلات جریان سیال استفاده می شود. این راه حل تعیین شده اکنون در حال انشعاب است ، و همه چیز را از مسائل زیست محیطی گرفته تا شرایط قلبی و هواخوانی ها مقابله می کند.

این تنوع برنامه ها بر طراحی و عملکرد نرم افزار سنتی CFD تأثیر گذاشته است ، جایی که مهندسان هم اکنون می توانند با شبیه سازی و مدل سازی مجموعه های متنوعی را به خود اختصاص دهند. اندی فاین ، معاون رئیس جمهور آلتیر برای CFD Solutions ، EMEA ، گفت: ‘ما هنگام بررسی مشکلات CFD با فیزیک به طور فزاینده ای سر و کار داریم. در حالی که بیشتر فناوری CFD بسیار بالغ است ، بسیار گران است و به دانش تخصصی زیادی نیاز دارد. ما در حال تلاش برای کاهش این موانع برای ورود با ارائه راه حل های به طور فزاینده ای در دسترس و ارزان تر هستیم. "

صحت در مقابل تجارت عملکرد یکی دیگر از چالش های مهم دیگر برای دموکراتیزه کردن CFD است ، جایی که برخی از برنامه ها برای پاسخگویی به انتظارات کاربر به منابع محاسباتی بزرگی نیاز دارند. Ed Fontes ، CTO در COMSOL ، توضیح داد: ‘در اینجا ، شما اغلب درگیری بین انتظار کاربر و توانایی نرم افزار برای ارائه نتایج دقیق به یک هزینه محاسباتی کوچک پیدا می کنید. متأسفانه ، ناهار رایگان وجود ندارد: هزینه های دقت. "

فونت ها اضافه کردند: با اضافه کردن تعداد زیادی انتشار مصنوعی ، می توان با هزینه های محاسباتی کم ، توطئه های رنگارنگ را با هزینه های محاسباتی کم دریافت کرد ، اما این نتایج نادرست به دست می آورد. ما بخش قابل توجهی از زمان توسعه خود را در روش ها و حلال های عددی سرمایه گذاری می کنیم تا مشکلات را به طور دقیق و رایانه های رومیزی حل کنیم. "

جفت چندگانه یکی دیگر از موارد مهم مهم در CFD است ، جایی که ابزارها باید به مسائل قابلیت استفاده بپردازند. فونت ها توضیح دادند: "باید برای زوج CFD به سایر انواع تجزیه و تحلیل ، به عنوان مثال مکانیک ساختاری (تعامل سیال ساختار) ، واکنشهای شیمیایی ، انتقال حرارت ، زمینه های الکترومغناطیسی ، مدل سازی مبتنی بر معادله و غیره ساده باشد. تنظیمات حل کننده برای CFD بایدبا راه حل برای سایر معادلات عددی اضافه شده توسط پدیده های دیگر ، کاملاً همراه یا با استفاده از یک استراتژی راه حل تفکیک شده کار کنید.

نرم افزار Comsol’s Application Builder به این نگرانی های مربوط به قابلیت استفاده رسیدگی می کند. فونتس گفت: "این به متخصصان CFD اجازه می دهد تا رابط های کاربری گرافیکی اختصاصی را بر روی مشکلات خاص CFD تعریف شده در Comsol ایجاد کنند. این کارشناسان می توانند برنامه هایی بسازند که می توانند توسط جامعه بزرگ تری از مهندسان و دانشمندانی که متخصص حوزه هستند، استفاده کنند، اما ممکن است متخصص CFD نباشند.

Comsol همچنین بسیاری از ابزارهای موجود خود را برای CFD در چند سال گذشته بهینه کرده است، از جمله ابزار مش بندی، حل کننده های تکراری و ابزارهای ارزیابی نتایج. پروژه های مش و حل کننده برای CFD بسیار مهم بوده و هنوز پروژه های بزرگی هستند، بنابراین ما به هیچ وجه به پایان نرسیده ایم. فونتس توضیح داد که ما به توانایی تجسم و ارزیابی نتایج افتخار می کنیم.

Altair اخیراً تمرکز خود را بر CFD افزایش داده است و برنامه های کاربردی خاص و تخصصی را در صنایع مختلف با استفاده از مجموعه ای از راه حل های نرم افزاری هدف قرار داده است. فاین توضیح داد: «یک اندازه در فضای CFD مناسب نیست. ما برای هر مشتری، بر اساس درخواست او، تصمیم می گیریم تا بهترین راه حل را پیدا کنیم.

Altair یک سیستم صدور مجوز منحصر به فرد به نام Altair Units را اجرا می کند. مجموعه کامل راه حل های نرم افزاری این شرکت از طریق واحدهای Altair از بازار آن Altair One در دسترس است، جایی که مهندسان همچنین می توانند به تیم های پشتیبانی تخصصی، از جمله یک بخش CFD و راه حل های شخص ثالث از Altair Partner Alliance دسترسی داشته باشند. مجموعه شبیه سازی CFD Altair شامل Altair AcuSolve است که به مهندسان اجازه می دهد تا با چندین مشکل CFD عمومی از جمله جریان، انتقال حرارت، آشفتگی و تجزیه و تحلیل مواد غیرنیوتنی مقابله کنند.

Altair ultraFluidX و Altair nanoFluidX راه حل های CFD مخصوص کاربرد هستند. Altair ultraFluidX به طور خاص برای پیش بینی فوق سریع خواص آیرودینامیکی برای انواع وسایل نقلیه توسعه یافته است، در حالی که Altair nanoFluidX یک ابزار هیدرودینامیک مبتنی بر ذرات (SPH) برای پیش بینی جریان سیال در اطراف هندسه های پیچیده تحت حرکت پیچیده است. فاین گفت: «این ابزارها به ما امکان می دهند با مشکلاتی که عملاً کار با آنها با استفاده از CFD سنتی غیرممکن است، مقابله کنیم.

یکی از این حوزه های نوظهور، هواآکوستیک است که در آن صداها و ارتعاشات ایجاد شده توسط یک جسم در حال حرکت بررسی و کاهش می یابد. این صداها به لطف توسعه وسایل نقلیه الکتریکی که در مقایسه با وسایل نقلیه سنتی رانندگی بسیار آرام تری را ارائه می دهند، اکنون بیش از هر زمان دیگری قابل توجه هستند.

زمینه Aeroacoustics همچنین در سایر صنایع از جمله ماشینکاری و ابزار در جایی که تولید کنندگان می خواهند سر و صدای ایجاد شده توسط فن های خنک کننده بزرگ را کاهش دهند ، به طور فزاینده ای اهمیت دارد. خوب گفت: ‘این یک منطقه کاربردی مهم و منحصر به فرد است که در آن ما دانش و درک دامنه را برای حل این مسائل داریم ، نه فقط آنها را شبیه سازی کنیم ، بلکه اصلاحات و اصلاحات جغرافیایی را نیز پیش بینی می کنیم که می تواند هر تعداد مشکل را حل کند."

طبق گفته فونتس ، زمینه های علوم پلاسما و الکتروشیمیایی در سالهای اخیر به طور قابل توجهی گسترش یافته است ، که توضیح داده است: "در اینجا ، ما مشکلات مربوط به CFD ، زمینه های الکترومغناطیسی ، واکنش های شیمیایی و الکتروشیمیایی را پیدا می کنیم ، بلکه مشکلات انتقال حرارت معمول معمول را نیز می بینیم (همراهانتقال حرارت در مواد جامد و مایعات با CFD در مایعات) که در تمام فرآیندهای موجود در آن مورد نیاز یا تولید قرار می گیرد.

طبق گفته فونت ها ، کاربردهای زیست پزشکی مانند پمپ های قلب و سایر ایمپلنت های پزشکی نیز "یک منطقه جالب از کاربرد" هستند ، که افزود: ‘Medtech یک منطقه جدید جذاب برای CFD است. اگر به زمینه های سنتی نگاه کنیم که اغلب از شبیه سازی و مدل سازی استفاده می شود ، آنها در مقایسه با سیستم های بیولوژیکی ، سیستم های ساده ای هستند. اکنون ، به لطف پیشرفت در فناوری CFD ، می توانیم با سیستم های بیولوژیکی به طور فزاینده ای برخورد کنیم. "

اخیراً Comsol Multiphysics برای شبیه سازی دستگاه کمک کننده بطن چپ HeartMate 3 (LVAD) از آزمایشگاه های Abbott استفاده شده است. در بیماران مبتلا به بطن چپ عملکرد ضعیف ، یک پمپ LVAD مسئول گردش خون غنی از اکسیژن از طریق بدن است. مدل سازی CFD و الکترومغناطیسی به تیم Abbott کمک کرد تا یک پمپ قدرتمند ، کارآمد و همبستگی را با جریان پالس طراحی کند ، که بیشتر از یک قلب عملکردی تقلید می کند.

فردی هانسن ، فیزیکدان در آزمایشگاه های ابوت ، گفت: "به راحتی می توانید عبارات ریاضی خود را در Comsol وارد کنید ، به ویژه که می توانید در هر جایی که می توانید یک شماره را وارد کنید ، یک معادله را تایپ کنید ، و برای ما این کار را بسیار ساده می کند و مقایسه طرح های مختلف را برای ما ساده می کندهمبستگی آنهابرای انجام این کار ، ما وارد معادلات جبر و دیفرانسیل سفارشی می شویم و این موارد را در کنار CFD حل می کنیم. ما می دانیم که شکاف های نسبتاً بزرگی که در HeartMate 3 بین روتور آن و دیواره های اطراف داریم - شکاف هایی که فقط با روتور مغناطیسی قابل استفاده هستند - طراحی را ارائه می دهند که ملایم ترین روی خون است. "

چنین کارهایی می تواند در زمینه پزشکی متحول شود ، همانطور که فونت ها نتیجه گرفتند: "امروز پزشکی بسیار آزمایش و خطا است ، اما با استفاده از CFD ، ما می توانیم یک مدل را تجزیه و تحلیل کنیم و سپس درمان هایی را ایجاد کنیم که نه تنها ارزان تر بلکه با علائم و جسمی فرد سازگار باشدمشخصات.'

فن آوری محیط زیست یکی دیگر از زمینه های در حال رشد CFD است - مطابق با فونت ها ، فرآیندی مانند جداسازی کربن و فرآیندهای مربوط به جامعه هیدروژن "را شامل می شود.‘CFD و تعامل سیال ساختار توربین های بادی حداقل 10 سال یک برنامه محبوب بوده است ، اما همچنین طراحی اطراف توربین های بادی جالب می شود. به عنوان مثال ، آکوستیک ، جریان آب برای مزارع دریایی و جریان هوا در اطراف مزارع بادی بسیاری از مشکلات جالب توجه CFD و Multiphysics را شامل می شود که به عنوان مثال تعامل سیال ساختار را شامل می شود. "

CFD Smokin '

مرکز ابر رایانه بارسلونا (BSC) در حال حاضر در حال کار بر روی پروژه تخمین است ، یک ابتکار اروپایی از تعهد مشترک Sky Sky. محققان در حال توسعه نرم افزار پیشرفته CFD برای کمک به طراحی نسل جدید موتورهای با نسبت بای پس کارآمد و پایدار با تمرکز بر روی انتشار گازهای گلخانه ای هستند.

هنگامی که در شرایط کامل قدرت ، انتشار گازهای گلخانه ای کم است اما در شرایط متوسط ، تشکیل ذرات می تواند قابل توجه باشد. برآورد از یک روش چند رشته ای برای پیش بینی تشکیل دوده از اکسیداسیون شیمی به تشکیل ذرات ، بر اساس شبیه سازی های وفاداری بالا که با آزمایش های مرجع تأیید شده است ، استفاده می کند.

این پروژه بر تأثیر مدل احتراق و درمان تعامل شیمی آشفتگی بر قابلیت های پیش بینی مدل های دوده ، از نظر کسری حجم دوده ، چگالی حجم دوده و توزیع اندازه ذرات ، روشن خواهد شد.

این تیم در حال حاضر در حال توسعه این مدل ها است و در کار خود به طیف وسیعی از چالش ها پرداخته است. Oriol Lehmkuhl ، رهبر گروه دینامیک سیال محاسباتی در مقیاس بزرگ در BSC ، گفت: ‘ما یک مدل خوب برای پیش بینی احتراق و تلاطم همراه با تشکیل دوده و تکامل نداریم. ما در مورد مواد شیمیایی ، مدل سازی و محاسباتی چالش هایی داریم زیرا باید ضمن حفظ کارایی در امکانات HPC ، مدل های مختلفی را گردآوری کنیم. "

Lehmkuhl افزود: "ما همچنین یک چالش اضافی داریم که معمولاً مدل سازی تشکیل دوده با گاز [موتورها] انجام می شود ، اما با استفاده از نفت سفید ، باید شرایط چند فاز را در نظر بگیریم."

همچنین یک الزام به رهبری صنعت برای این کار وجود دارد ، همانطور که دانیل میرا ، رهبر گروه پیشران فن آوری در BSC ، توضیح داد: ‘صنعت هوافضا اهداف روشنی برای انتشار CO2 دارد اما اکنون موارد مربوط به انتشار گازهای گلخانه ای به طور فزاینده ای اهمیت می یابد. پیش بینی توزیع اندازه ذرات یک چالش بزرگ در صنعت Aeroengine است ، که در آن ابزارهای پیش بینی استاندارد خطاهای گسترده ای بین 200 تا 300 درصد دارند. ما می خواهیم ببینیم که چگونه این مدلهای پیشرفته دوده می توانند تشکیل دوده را در شرایط مرتبط با AeroEngine پیش بینی کنند.

این تیم پیشرفت خوبی دارد اما ملاحظات تجربی زیادی نیز برای در نظر گرفتن وجود دارد ، جایی که تیم در نهایت باید با آزمایشاتی که با موفقیت از شرایط دنیای واقعی تقلید می کند ، مدل را تأیید کند. Lehmkuhl توضیح داد: "ما باید بتوانیم به درستی شکل گیری و توزیع دوده را در هر دو شعله لمینار و آشفته اندازه گیری کنیم و این بسیار پیچیده است."

اعتبارسنجی و ارزیابی مدل ها از تعریف آزمایش های اختصاصی با افزایش سطح پیچیدگی ، ناشی از شعله های ضد جریان قبل از ضعف ، شعله های اسپری نفت سفید تا بخش مجرد و سکوهای حلقوی کامل حاصل می شود.

این پروژه شامل توسعه مکانیسم های واکنش برای اکسیداسیون سوخت و پیش سازهای دوده و توسعه یک مدل پدیدارشناختی برای تجزیه اولیه اتمییزرهای هوا است. لومکول افزود: "ما فیزیک های مختلفی داریم که باید در کنار هم قرار بگیریم و باید تا آنجا که ممکن است اعتبار سنجی کنیم."

پتانسیل AI

آیا CFD می تواند از یک ارتقاء فعال AI بهره مند شود؟متخصص نرم افزار لهستانی Bytelake در حال توسعه الگوریتم ها برای بهینه سازی گردش کار CFD موجود و کاهش هزینه چنین راه حل هایی است.

مجموعه Bytelake CFD مجموعه ای از مدل های AI را شامل می شود ، برخی جایگزین حلال های عددی سنتی با مدل های معادل AI هستند ، در حالی که برخی دیگر حلال های CFD را با الگوریتم های AI تسریع می کنند. این مجموعه نرم افزار نوید می دهد روند تجزیه و تحلیل را به طرز چشمگیری تسریع کند و "نتایج فوری" را ارائه می دهد ، به گفته مارسین روژک ، بنیانگذار Bytelake ، که افزود: "هوش مصنوعی مرحله بعدی برای CFD است ، باز کردن شبیه سازی سریع."

این شرکت در حال حاضر قبل از حرکت به شبیه سازی های گذرا ، مجموعه CFD خود را با استفاده از شبیه سازی های حالت پایدار در حال توسعه است. روژک افزود: "برای حالت پایدار ، ما هیچ محدودیتی را ندیده ایم که از آن استفاده نمی شود."

این شرکت اخیراً اولین تست های دقت خود را با 24 شبیه سازی مختلف با استفاده از OpenFoam انجام داده است. یک شبیه سازی ICOFOAM حالت پایدار با اندازه مش 400 سلول انجام شد. نتایج پیش بینی شده به یک خطای متوسط مربع کمتر از 0. 001 و ضریب همبستگی پیرسون بیش از 0. 95 ، با بیش از 99 درصد دقت نسبی دست یافت. Bytelake اکنون در حال بررسی اندازه مش بزرگتر و تسریع سایر حل کننده های OpenFoam است.

Mariusz Kolanko ، بنیانگذار Bytelake ، گفت: ‘چالش اصلی تسریع در شبیه سازی CFD فراتر از آنچه در حال حاضر ممکن است. ما همچنین در تلاش هستیم تا اطمینان حاصل کنیم که مدل های AI به راحتی قابل استفاده و سازگار با گردش کار موجود هستند. "

مجموعه CFD با OpenFOAM سازگار است و از الگوریتم های سازگار با TensorFlow برای تقویت قابلیت همکاری آن استفاده می کند ، جایی که Tensorflow یک بستر برجسته یادگیری ماشین منبع باز است. Bytelake در تلاش است تا یک رابط پلاگین و بازی را ارائه دهد ، جایی که مهندسان CFD نیازی به تغییر انواع داده ها ، جایگزینی چانه های ابزار و غیره ندارند ، ضمن فراهم کردن سازگاری متقابل ، بدون هیچگونه سخت افزاری یا زیرساخت های لازم برای اجرای نرم افزار.

سهولت استفاده یکی دیگر از مهمترین قابل تحویل ها برای مجموعه CFD است ، جایی که مهندسان فقط باید داده های ورودی خود را به همان روشی که برای یک حل کننده سنتی CFD می خواهند تهیه کنند ، اما در عوض ، آن را به یک مدل CFD AI-Enhed ارسال می کنند.

روژک گفت: "ما می خواهیم ابزاری بسازیم که با همه بازیکنان اصلی CFD سازگار باشد و استفاده از آن نیز آسان است."مجموعه CFD قرار است در نوامبر 2020 منتشر شود.

در حالی که چالش هایی برای راه حل های CFD امروز از نظر قابلیت استفاده ، اعتبار سنجی و عملکرد برای دقت مشخص باقی مانده است ، گنجاندن فناوری های هوش مصنوعی یک جهت جالب و جدید است. این کار تخصصی و سایر نوآوری ها اکنون برای رفع طیف فزاینده ای از مشکلات دنیای واقعی در فضای CFD مهمتر از همیشه هستند.