MAHDOTTOMASTA MAHDOLLISTA – NESTEEN PINNAN SIMULOINTI FREE SURFACE -ANALYYSILLÄ

Nesteen pinnan simulointi
19.2.2019

Virtaussimuloinnissa on pitkään pitäydytty tilanteissa, joissa tutkittava kappale on kokonaan tietyn aineen ympäröimänä. Kahden eri aineen välistä rajapintaa ei ole voitu simuloida, mikä on merkittävästi rajoittanut esimerkiksi laivojen aaltovastusten, kuljetustankkien nesteen hölskymisen ja vesisuihkujen tutkimista. Nyt tämä kaikki on mahdollista SOLIDWORKSin Free Surface -analyysillä.

Mikä on Free Surface -analyysi?


SOLIDWORKSin Free Surface -analyysi tuli uutena ominaisuutena 2018-versioon, ja voit simuloida sillä kahden fluidin välisen rajapinnan. Näistä fluideista toinen voi olla kaasu ja toinen neste tai molemmat voivat olla nesteitä. Esimerkkinä on veden ja öljyn rajapinta – toinen fluideista voi myös olla jopa 10 000 kertaa toista tiheämpää. Laskenta perustuu VOF-nestetilavuusmalliin (volume of fluid method), jossa ohjelmisto käyttää numeerista laskentaa vapaiden nestepintojen etsintään.


Simulaation lähtötilanteen voi määrittää eri tavoilla. Analyysin määrittelyssä voi esimerkiksi kertoa nesteen pinnan korkeuden suhteessa käytettävään koordinaatistoon. Toinen mahdollisuus on mallintaa ns. dummy-tilavuus, joka kuvaa nestettä simulaation alkuhetkellä.


”Kun opiskelin virtausmekaniikkaa Teknillisessä korkeakoulussa vuosituhannen vaihteessa, professorini kertoi, kuinka vaikeaa veneiden simulointi on. Menetelmä rajapintojen laskentaan oli jo olemassa, mutta käytännön toteutukset ohjelmistoissa olivat harvassa" 

Mihin Free Surface käytännössä soveltuu?

Mihin Free Surface -analyysiä voi käyttää:


•    Nestealtaiden ja -astioiden täyttäminen tai tyhjentäminen 
•    Nesteen hölskyminen inertiavoimien vaikutuksesta
•    Laivojen ja veneiden aaltovastus
•    Muovi sulassa muodossa


Mihin Free Surface -analyysi ei pysty:


•    pintajännitykseen (esim. vesipisarat) ja faasimuutoksiin (esim. höyrystyminen) liittyvien ilmiöiden simulointi

Esimerkki 1: vesialtaan täyttyminen
Simulaatio on ajasta riippuvaa, joten voit esim. tutkia, miten säiliörekassa kuljetettava neste hölskyy ajan funktiona, kun rekka jarruttaa. Kuvassa 1 on esimerkki vesialtaiden täyttymisestä tietyltä ajanhetkeltä.

Kuva 1: Altaiden täyttyminen

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Kuva 1. Altaiden täyttyminen

”SOLIDWORKSillä määrittelet virtaussimulaation vaivattomasti.”

Esimerkki 2: veneen simulointi

Haluat esimerkiksi selvittää, millainen peräaalto syntyy ja missä kohtaa vesiraja kulkee, kun veneen nopeus kiihdytetään nollasta 20 solmuun. Virtaussimulaation määritys SOLIDWORKSissä käy helposti Wizardin avulla. Valitset, että tutkit ulkoista virtausta ja että haluat simuloida nesteen pinnan. Nesteeksi valitset veden. Kerrot, millä korkeudella vesiraja lähtötilanteessa sijaitsee. Paikallaan olevan veneen vesirajan selvittämisestä voit lukea myöhemmin toisesta blogistani.

Tulokset voit esittää animoituna tai tietyllä ajanhetkellä. Kuvassa 2 on esimerkki nopeusjakauma- ja virtaviivakuvaajasta. Voit toistaa laskennan erilaisille venerungoille ja hakea sitä kautta optimaalisen muodon.

Kuva 2: Nopeusjakauma ja virtaviivat

 

 

 

 

 

 

Kuva 2. Nopeusjakauma ja virtaviivat

 

CadWorksiltä löytyy ohjelmistot virtausanalyysiin

SOLIDWORKSin suomalainen jälleenmyyjä, CadWorks Oy, myy ohjelmistoja ja koulutuksia 3D-mallinnukseen ja simulointiin. SOLIDWORKS Flow Simulation käyttää ratkaisussa tilavuusmenetelmää (Finite Volume Method), jolla voidaan ratkaista virtaus- ja lämmönsiirtoanalyysejä tarkasti. SOLIDWORKSillä voidaan ratkaista monimutkaisiakin geometrioita ja sen erityiset vahvuudet ovat ratkaisunopeus ja intuitiivinen käyttöliittymä.

Kun haluat selvittää, millainen lisenssi olisi sopivin juuri teidän tarpeisiinne, ota yhteyttä asiantuntevaan ja avuliaaseen aluemyyntipäällikköömme Esko Hekkalaan tai Lasse Kaikkoseen. Kts. http://www.cadworks.fi/fi/ota-yhteytta

Lue lisää aiheesta