Если структура вещества не представляет интереса или ничтожно мала по сравнению с его объемом, вещество моделируется в виде «идеальной» сплошной среды (внутренняя структура среды не принимается во внимание). Такой подход удобен для исследования потоков вещества. При их моделировании широко применяются CFD-программы [1].
CFD-метод (англ. Computational fluid dynamics, CFD) – подраздел меха-ники сплошных сред, включающий совокупность физических, математических и численных методов, предназначенных для вычисления характеристик потоковых процессов.
Численные исследования с применением CFD-метода, как правило, подразумевают следующую последовательность действий:
- Постановка задачи исследования на основе экспертного анализа.
- Выбор метода расчета.
- Разработка физической модели.
- Выбор расчетного кода.
- Выбор и построение расчетной области.
- Разработка компьютерной модели.
- Валидация результатов численного моделирования.
- Верификация результатов численного моделирования.
- Разработка отчетной документации [2].
Разработка компьютерной модели при использовании CFD-метода заключается в составлении и решении уравнений для распределения скоростей, давления, плотности и температуры среды (рисунок 1).
Рисунок 1 — Схема применения метода вычислительной гидрогазодинамики
В общем случае исходная система линейных дифференциальных уравнений в частных производных состоит из: уравнений движения (уравнений Навье–Стокса или осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье–Стокса для случаев, описывающих турбулентные течения); уравнения неразрывности; уравнения сохранения энергии; уравнения состояния, начальных и граничных условий. В подавляющем большинстве случаев такая система уравнений не имеет аналитического решения, поэтому необходимо применение численных методов для получения приближенного численного решения [1, 2].
Как правило, в результате CFD-моделирования объект исследования визуализируется цветовым полем градиента. Это может быть 2D визуализация или 3D модель с характерными геометрическими параметрами. На рисунке 2 изображена компьютерная CFD-модель поля градиента скорости воздушных потоков [3].
Рисунок 2 — Компьютерная CFD-модель поля градиента скорости воздушных потоков
Существует множество разнообразных программных пакетов CFD-моделирования. Можно отметить такие широко применяемые программные комплексы, как ANSYS Fluent, Autodesk Simulation CFD, Pushbutton CFD и другие продукты. К примеру, посредством моделирования с использованием CFD-пакетов на сегодняшний день гоночными командами производится анализ и оптимизация весьма сложных потоков воздуха, образующихся на переднем и заднем спойлере современных гоночных автомобилей Формулы-1. Безупречная и эффективная работа будь то гоночного автомобиля Формулы-1, воздухоочистителя или индукционного улавливающего кожуха зависит от потоков воздуха, циркулирующих внутри устройства и в окружающем его пространстве. Моделирование с использованием CFD благодаря заложенным в них физическим и математическим моделям позволяет воспроизвести эти невидимые, но весьма важные и сложные процессы. Самое большое преимущество моделирования с использованием CFD по сравнению с другими экспериментальными методами и измерениями заключается в том, что определяются не только значения в выборочных точках, но и одновременно регистрируется совокупность всех физических величин, и тем самым появляется возможность удостовериться в правильности функционирования модели.
Более детально мы остановимся на компьютерной реконструкции дискретных сред, в частности на структурно-имитационном моделировании упаковок частиц гранулированных материалов, представляющих особый интерес при решении многих рецептурно-технологических задач.
Библиографические ссылки:
[1] – Пальцер, У. Компьютерное моделирование в производстве бетонных изделий / У. Пальцер, Й.Г. Швабе // Бетон и Железобетон. 2010. 20-22.
[2] – Белова, О.В. Методологические основы CFD-расчетов для поддержки проектирования пневмогидравлических систем / О.В. Белова, В.Ю. Волков, А.П. Скибин, А.В. Николаева, А.А. Крутиков, А.В. Чернышев // Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, вып. 5. С.1-13.
[3] – Козырев С.А. CFD метод в компьютерных технологиях как инструмент исследования аэродинамики глубоких карьеров / С.А. Козырев, В.Ф. Скороходов, Р.М. Никитин, П.В. Амосов, В.В. Массан // Труды горного института Кольского НЦ РАН. 2014. С.251-255.