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

Experimenten en simulaties in stromingsleer: complementair?

Stomingen bestuderen

Stromingsleer wordt op 3 manieren bestudeerd: analytisch, numeriek en experimenteel. Analytische berekeningen zijn nuttig voor “ordegrootte” berekeningen. Zo krijg je inzicht in de relevante parameters in je systeem, kun je een ordegrootte drukval berekenen, of weet je of je stroming laminair, dan wel turbulent is. Een goed begrip van de wiskundige beschrijving van een stroming is uiteraard cruciaal voor het correct interpreteren van metingen of computerexperimenten. Een stroming met een handsom uitrekenen kan echter alleen voor de meest simpele situaties, bijvoorbeeld een steady laminaire stroming in een pijp. Tijds-afhankelijke, of turbulente stromingen, of stromingen in complexere geometrieën kunnen analytisch niet volledig berekend worden.

Experimenteel onderzoek

Traditioneel ging men, als analytische berekeningen niet voldeden, over tot experimenteel onderzoek. Experimenten geven een enorm inzicht in de dynamica van een stroming. De beweging van een stroming wordt inzichtelijk gemaakt door kleurstoffen of rook. De stromingseigenschappen kunnen gekwantificeerd worden met snelheids-, temperatuurs-, en drukmetingen. Waar deze metingen vroeger vaak “intrusief” waren – een meetinstrument werd direct in een stroming gestoken – is daar de laatste 20 jaar veel in ontwikkeld. De snelheid van een stroming wordt zo direct gemeten zonder de stroming te beïnvloeden met geavanceerde optische methodes zoals Particle Image Velocimetry (PIV), Particle Tracking Velocimetry (PTV) en Laser Doppler Anemometry (LDA). De stroming wordt dan beschenen met een laser, en er kleine tracer-deeltjes toegevoegd aan de stroming, die (laser)licht weerkaatsen. De snelheid wordt gemeten d.m.v. de roodverschuiving (LDA) of door 2 fotos vlak na elkaar te maken en deze te correleren (PIV, PTV).

Experimenten hebben echter hun beperkingen. Metingen zijn relatief duur, zowel in meetapparatuur als in mankracht. Het maken van goeie meetopstellingen en het uitvoeren van verschillende iteraties kost veel tijd.

Computersimulaties

Pas relatief recent hebben computersimulaties hun intrede gemaakt. Eerder waren numerieke simulaties voorbehouden aan universiteiten en enkele gespecialiseerde bedrijven zoals Boeing en NASA. In de jaren 90 kwamen gebruiksvriendelijke commerciële softwarepakketten op de markt, waarmee het doen van computersimulaties voor een grotere doelgroep mogelijk werd. Bij stromings-simulaties worden de wiskundige stromingsvergelijken (de Navier-Stokes vergelijkingen) numeriek berekend. Deze technique staat ook bekend als computational fluid dynamics (CFD). De Navier-Stokes vergelijkingen worden vrijwel altijd vereenvoudigd tot de Reynolds-averaged Navier-Stokes vergelijkingen (d.w.z. de turbulente wervels worden gemiddeld over de tijd), en worden op discrete punten opgelost. Zoals te zien in de figuur wordt een geometrie opgedeeld in kleine volumes, en de behoudswetten van massa, impuls en energie worden toegepast op deze kleine volumes. Zo wordt een hele mesh doorgerekend, en krijgen we de numerieke oplossing.

 

mesh around the wing of an airplane

Mesh rondom een vleugelprofiel

In de vertaalslag van de werkelijke stroming naar de numerieke oplossing wordt de stroming vereenvoudigd. Meestal wordt de geometrie versimpeld om makkelijker een goede mesh te krijgen, en de turbulente eigenschappen worden versimpeld gemodelleerd. Veel mensen zijn daarom sceptisch over de toegevoegde waarde van numerieke simulaties.

Echter, numerieke simulaties hebben een aantal flinke voordelen boven experimenten. Ten eerste: het uitvoeren van numerieke simulaties is veel sneller en goedkoper dan experimenten. Ten tweede: er kan veel makkelijker geïtereerd worden. Een andere geometrie, een andere vloeistof, een hogere volumestroom of snelheid: het zijn allemaal parameters die gevarieerd kunnen worden. Het ontwerpproces wordt zo versimpeld en versneld. Ten derde: met experimenten wordt vaak 1 bepaalde parameter gemeten, zoals een drukval. In een numerieke simulatie is de stromingsdata overal beschikbaar. De stroming kan gevisualiseerd worden met snelheidsvectoren, filmpjes, contourplots of stromingslijnen. We kunnen zo de stroming veel gedetailleerder onderzoeken, en ook begrijpen waar de pijnpunten zitten.

Complementair

Zullen computersimulaties experimenten compleet vervangen? Nee, dat niet. Experimenten leveren altijd waardevolle informatie zonder dat de werkelijkheid wordt vereenvoudigd. En in specifieke gebieden staan zijn experimentele validatie voor CFD methodes regelmatig nodig (meerfase stromingen, verbranding, fase-veranderingen, etc). Zo geven experimenten, analytische methodes en simulaties alledrie op een andere manier inzicht in stromingen. In die zin zijn ze volledig complementair, en zullen dat voorlopig blijven.