+31 88 115 2000 info@demcon-bunova.nl

Ik heb een stromingsvraagstuk, wat nu?

Achtergrond

Stromingen van gassen of vloeistoffen kunnen op 3 manieren worden bestudeerd: analytisch, experimenteel en numeriek. Een analytische aanpak werkt alleen voor de meest eenvoudige problemen (laminaire stroming in een rechte buis, bijvoorbeeld). Experimenten zijn vaak te duur en kosten veel tijd. Numeriek een stroming berekenen is dan een logische en populaire optie. Met moderne software en geavanceerde computerclusters kan vrijwel elke stromingssimulatie worden uitgevoerd. Het vakgebied van numerieke stromingsleer wordt vaak CFD genoemd, de engelse afkorting voor Computational Fluid Dynamics.

Het doen van een correcte CFD analyse is geen sinecure, en veel expertise en kennis van de stroming is nodig voordat een goede analyse kan worden uitgevoerd. Voor ons bestaat een probleem uit 3 componenten:

  • De vraag van de klant
  • De Geometrie
  • De randvoorwaarden

De vraag

Voor onze werkzaamheden is een goede vraag van groot belang, aangezien wij onze aanpak aanpassen op de vraag. Belangrijk is dat de klant weet wat hij wil weten. Is alleen 1 waarde van de drukval nodig? Of is uitgebreide kennis over het stromingsveld nodig? Is een “ordegrootte” van de drukval voldoende, of moet dit op 4 cijfers achter de komma bekend zijn?

In het duidelijk krijgen van de vraag, proberen we ook de stroming zelf te begrijpen. Speelt de temperatuur een rol? Is er sprake van 1 vloeistof/gas, of is het een mengsel van meerdere componenten? Zijn membranen, filters of poreuze media aanwezig? Membraanfilters worden meestal gemodelleerd als een poreus medium met een vervangende weerstandcoëfficiënt, die vaak experimenteel bepaald wordt. Complexe vraagstukken kosten meer (reken)tijd. Je wilt een probleem dus zoveel mogelijk vereenvoudigen tot de kern van het probleem.

Een concrete vraag maakt het ons mogelijk om een goede analyse uit te voeren. De resultaten die wij presenteren stemmen wij af op de behoefte van de klant.

Geometrie

 Voor een goede CFD-simulatie is een goede mesh cruciaal. In een mesh wordt het stromingsveld opgedeeld in allemaal kleine volumes. De behoudswetten (massa, impuls, energie) worden toegepast op deze controlevolumes, en zo kan de stroming berekend worden.

 

De geometrie van een T-stuk en de gemaakte mesh. De lokale verfijning bij de wand, nodig om de grenslaag te berekenen is duidelijk zichtbaar. Het stromingsveld (en dus de mesh) is altijd het "negatief" van de geometrie.

Figuur 1: De geometrie van een T-stuk en de gemaakte mesh. De lokale verfijning bij de wand, nodig om de grenslaag te berekenen is duidelijk zichtbaar. Het stromingsveld (en dus de mesh) is altijd het “negatief” van de geometrie.

In de figuur is een T-stuk van een pijp te zien. De stroming gaat door de pijp, dus maken we in het stromingsdomein een mesh. In de figuur laten we een typische mesh zien, waarin altijd een lokale meshverfijning bij de wand wordt gemaakt. Direct bij de wand is de snelheidsgradient het grootst, en is een fijnere mesh nodig om dit goed te simuleren.

Voor het maken van een goede mesh wordt een geometrie vaak vereenvoudigd. Een te gedetailleerde geometrie maakt het meshen lastig, terwijl veel componenten de stroming zelf nauwelijks beïnvloeden. Typische voorbeelden van “lastige” componenten zijn:

  • Moeren, bouten, schroefdraad, etc.
  • Dunne wanden (veel extra controlevolumes nodig).
  • Scherpe hoeken.
  • (Te) nauwe stromingsdoorlaten.

Als wij een geometrie ontvangen, bewerken we deze (altijd in overleg met de klant) zodat een goede mesh gemaakt kan worden.

Vaak is de klant op zoek naar een optimaal ontwerp voor zijn probleem. Dan is de geometrie nog niet bekend, maar juist onderdeel van de vraag van de klant. Bij het ontwerp van het optimale stromingsontwerp houden we uiteraard rekening met de maakbaarheid van onderdelen.

Randvoorwaarden

Nadat de mesh gemaakt is, wordt de CFD-simulatie voorbereid. Daarbij moeten alle randvoorwaarden worden aangegeven. Dit begint met het bepalen van de globale eigenschappen van de stroming. De vloeistof/gas moet bekend zijn, met als belangrijkste parameters de dichtheid en de viscositeit. Voor complexere stromingen, bijv. meerfase stromingen, moeten deze parameters van alle componenten bekend zijn. Een meerfase stroming bevat meerdere, niet mengbare componenten, zoals een gas-vloeistof mengsel, een vloeistof met solide deeltjes, of niet mengbare vloeistoffen, zoals olie-water mengsels. Voor problemen waar warmteoverdracht een rol speelt moeten ook de thermische eigenschappen van de vloeistof/gas bekend zijn. Hetzelfde geldt voor stromingen die compressibel zijn, zoals snelbewegende gassen.

Daarna wordt bepaald wat er op de grenzen van het stromingsdomein gebeurt.

  • Inlaat
    • Er moet iets bekend zijn over de hoeveelheid vloeistof die het stromingsveld binnengaat. Dit kan een debiet/massflow zijn, maar ook een druk of een snelheid.
    • Indien van belang moet ook een temperatuur bekend zijn.
  • Uitlaat
    • Bij de uitlaat moet, net als bij de inlaat iets bekend zijn over de stroming die het domein verlaat. Vaak is dat de druk (bijv. omgevingsdruk). Een massflow/debiet kan ook.
  • Wand
    • Bij wanden geldt de “no-slip conditie”: de conditie dat vloeistof direct aan de wand dezelfde snelheid heeft als de wand. Meestal staan de wanden van het domein stil, en staat de vloeistof direct aan de wand dus ook. Wanden met een snelheid kan uiteraard ook, zoals bijvoorbeeld bij turbomachinery. Soms speelt ook oppervlakteruwheid een rol, dit heeft invloed op het snelheidsveld en de wrijving.
    • Als warmteoverdracht een rol speelt, moet worden aangegeven of de wanden een bepaalde temperatuur hebben, of dat ze “adiabatisch” zijn – d.w.z. dat er geen wamteoverdracht plaats vindt.

 De vraag

Terug naar de vraag van de klant. Met een goed gedefinieerd probleem, een overzichtelijke geometrie en duidelijke randvoorwaarden is het mogelijk om een goede CFD analyse uit te voeren. En op een gerichte vraag kan ook eenduidig antwoord gegeven worden. CFD specialisten kunnen natuurlijk altijd helpen om het probleem duidelijk te maken. Wij hopen met dit artikel wat handvatten te hebben gegeven bij het definiëren van uw stromingsprobleem.