Virtauslaskenta (CFD)

Laskennallista tietoa mittaamattomista ilmiöistä

Virtauslaskenta (CFD -laskenta, virtaussimulointi) on monipuolinen työkalu, joka auttaa saamaan paremman ymmärryksen prosessien ja laitteiden toiminnasta ja niihin vaikuttavista tekijöistä. Mittaaminen ja näköhavainnot eivat usein ole mahdollisia tai niillä saadaan vain keskimääräisiä arvoja. Yksityiskohtaista tietoa esimerkiksi pyörteilystä tai pysähtyneestä virtauksesta on vaikea saada. Virtauslaskenta tarjoaakin ainutlaatuisen mahdollisuuden saada yksityiskohtaista, laskennallista tietoa – mittaamattomista asioista.

Virtauslaskennan tavoitteena voi olla esimerkiksi lampöjakaumat, aineensiirto, virtausnopeudet, virtausvastukset, paineprofillit, faasimuutokset, sekoittuminen, reaktionopeus, palaminen, saostuminen, rakenteen deformaatio tai jähmettyminen. Faaseja virtaussimuloinnissa voi olla yksi tai useampi. Alla on muutaman esimerkin siitä, millaiset asiat ovat kiinnostaneet asiakkaitamme.

Virtausanalyysit

Virtauslaskenta (CFD -laskenta) tarjoaa työkaluja, joiden avulla voidaan saada sellaista tietoa laitteen toiminnasta, jonka mittaaminen voi olla hankalaa, tai jopa mahdotonta. Virtauslaskenta mittaamisen lisänä, tarjoaa arvokasta lisätietoa siitä, missä kriittiset kohdat kiinnostavien asioiden suhteen ovat. Myös virtauksen vaikutus rakenteeseen voidaan huomioida (FSI – Fluid-Structure Interaction).

Kiinnostavia asioita voivat olla mm.

  • Virtauksen jakaantuminen
  • Virtauksen aiheuttama painehäviö tai paineiskut
  • Paikalliset nopeudet (mm. jäähdytys)
  • Ei-toivottu virtauskäyttäytyminen (mm. takaisinvirtaus, saostuminen)

Alla on kaksi esimerkkiä virtauslaskennasta.

CASE 1: Jakotukin virtauslaskenta – venttililityypin vaikutus virtauksen jakaantumiseen.

CASE 2: Sihtirummun virtauslaskenta – Pyörivän foilin aiheuttama paineimpulssi sellumassan erottelulaitteiston siivekkeissä.

LÄMPÖSIMULOINTI (CFD)

Lämmönsiirrolla on merkittävä rooli useissa sovelluksissa. CFD -laskennan käyttömahdollisuudet erilaisissa lämpöanalyyseissä ovat hyvin laajat. Alla on esitetty muutama esimerkki kiinnostuksen kohteista

  • Osien ja laitteiden energiatehokkuuden kehittäminen
  • Lämmityksen tai jäähdytyksen optimointi
  • Lämmitys/jäähdytyslaitteiston keskimääräisen lämmönsiirtokertoimen arviointi
  • Maksimi- ja minimilämpötilojen arvioiminen (mm. reaktorit, uunit)
  • Prosessianalyysit, prosessin laitteistoihin aiheuttamat termiset jännitykset

Lämmönsiirtimen toiminnan analysointi

Lämmönsiirtimien simuloinnissa kiinnostavia asioita ovat mm. putkien tai vastusten pintalämpötila, joka on harvoin tasainen. Paikalliset kylmät tai kuumat kohdat voivat aiheuttaa epätoivottua kondensoitumista tai nesteen ylikuumenemista. Lisäksi putkipuolen virtausten epätasainen jakautuminen voi turhaan heikentää lämmönsiirtimen tehoa. Viskoosin fluidin tapauksessa myös suhteellisen suuret lämpötilaerot lyhyellä matkalla tekevät mittaamisesta haastavaa, jolloin virtauslaskennasta saadaan apua mittaustuloksien tulkintaan ja trendien analysointiin.

Lämpötila öljylämmittimessa haittalevyjen kanssa (yllä) ja ilman (alla). Haittalevyillä voidaan tehostaa lämmönsiirtoa, mutta ne nostavat painehäviötä. Erityisesti kylmällä, hyvin viskoosilla öljyllä vaikutus painehäviöön on huomattava. Virtauslaskennan avulla voidaan analysoida levyjen sijainnin ja lukumäärän vaikutusta.

SEKOITUS- JA EROTUSPROSESSIEN VIRTAUSLASKENTAA

Aineiden sekoittumisen tai erottamisen hallinta on keskeinen osa monia prosesseja. Kiinnostuksen kohteena voi olla esimerkiksi kahden tai useamman faasin tasainen sekoittuminen sekoitussäiliössä, Lisäaineen lisääminen putkeen tai kiintoaineen saostaminen nesteestä.

Virtauslaskenta (CFD) antaa yhdellä simuloinnilla suuren määrän tietoa sekoitusprosessin toimivuudesta. Sovelluksesta riippuen tietoa voidaan saada

  • Virtauskentistä 
    mm. sekoittumis/erottumistehokkuus, virtauskentät kriittisten alueiden (kuten lämmitys/jäähdytyskierukka) lähellä
  • Painekentistä 
    mm. sekoittimen ja mahdollisten virtaushaittojen pinnoilla
  • Lämpöanalyysi
    mm. tietoa lämmönsiirtotehosta
  • Faasien sekoittumiseen liittyvistä muista kiinnostavista ilmiöistä
    mm. reaktiot, lämpötilat, aineensiirto

Lisäksi prosessin optimointi CFD -laskennalla on koetoimintaan verrattuna verrattain yksinkertaista ja mm. sekoittimen muodon vaikutuksen analysointi ei vaadi uuden, kalliin prototyypin rakentamista.

CFD -LASKENTA: Yksifaasivirtaus sekoitussäiliössä

Virtauslaskennan avulla selvitettiin sekoituselimelle aiheutuvia painekuormia sekoituselimen rakenteen lujuusteknisen tarkastelut lähtötiedoiksi. Samalla saatiin tietoa sekoitustehosta ja 1-faasi virtausprofiileista ja -nopeuksista.

PROSESSIANALYYSI

Virtauslaskentaa käytetään prosessien toiminnan tehostamiseen ja parantamiseen. Kiinnostuksen kohteena voi olla mm. prosessin energiatehokkuus, tuotannon kustannustehokkuus tai tuotteen tasalaatuisuus.

Ongelmatilanteissa voi juurisyyn selvittäminen olla haastavaa. Lisäksi ongelmat prosessissa eivät välttämättä ilmene pelkästään tuotteen laadussa tai tuotannon menetyksenä. Prosessin epäedullinen toiminta voi olla syy myös laitevaurioihin, jos prosessin lämpötilan tai paineen muutokset aiheuttavat liian suuria rasituksia itse prosessilaitteelle. Alla on esitetty esimerkit prosessin aiheuttamasta laitevauriosta sekä tuotantoprosessin optimoinnista.

Prosessin aiheuttamat lämpöjännitykset

Alla olevassa esimerkissä on laskettu panosprosessin laitteen jäähtymistä täytön aikana. Kiinnitysrakenteiden säröily vaati ongelman tarkempaa tarkastelua. Sihdin takainen ilmatasku mahdollistaa laitteiston epätasaisen jäähtymisen prosessisäiliön täytön alkuvaiheessa. Toistuvasti esiintyvät jännityssyklit todettiin mahdolliseksi syyksi kiinnitysrakenteissa esiintyvään säröilyyn. Analyysien perusteella ehdotettiin rakenteeseen muutoksia, joiden tavoitteena on saada pidennettyä kiinnikkeiden tarkastus- ja korjausväliä.

Sihdin takaisen ilmantilan vaikutus rakenteen jäähtymiseen täytön aikana A) lämpötilaprofiili ajanhetkellä t, B) lämpötilaprofiilin aiheuttama siirtymä ja C) lämpöjännitys.

Tuotantoprosessin optimointi

Alla olevassa esimerkissä virtauslaskentaa (CFD) on hyödynnetty tilanteessa, jossa on haluttu arvioida muotin lämpötilaa tuotannon aikaisessa jäähdytysprosessissa. Sopiva lämpötila haluttiin saavuttaa mahdollisimman kustannustehokkaasti. Muotin lämpötila oli kriittinen molempiin suuntiin. Hallitsevana ilmiönä simuloinneissa oli pakotettu konvektio ja lämmönjohtuminen kappaleen sisällä.

Jäähdytettävän kappaleen pintalämpötila ja typen lämpötila jäähdytyskammiossa

CFD-laskennan hyödyntämismahdollisuuksia:

  • CFD -laskenta osana tuotekehitystä
    Virtauslaskenta tarjoa monipuoliset mahdollisuudet osana tuotekehitysprosessia. Stressfield Oy tarjoaa yrityksellesi osaavan, luotettavan ja motivoituneen tuotekehityskumppanin. Lue lisää: Tuotekehityspalvelut
  • CFD -laskenta ongelmanratkaisun tukena
    Aina ei voi tietää, mikä aiheuttaa ongelmia laitteen tai osan toiminnassa. CFD -laskennalla voimme saada yksityiskohtaista tietoa siitä mitä tapahtuu siellä, minne emme näe. Laboratoriomittaukset antavat vain paikallista tietoa ilmiöistä, joiden perusteella voidaan arvioida prosessin käyttäytymistä. Virtauslaskennan avulla saadaan kokonaisvaltaisemaa tietoa joka helpottaa käyttäytymisen ymmärtämistä. Kun ymmärrämme ilmiön ongelmien takana, on helpompi muuttaa tilannetta toivottuun suuntaan.
  • CFD -laskenta laitteistojen ja linjastojen mitoituksen optimointityökaluna
    Virtauslaskenta on käytännöllinen työväline myös laitteistojen ja linjastojen mitoituksen optimoinnissa. Monien prosessilaitteiden virtaustekniseen mitoitukseen löytyy hyvät työkalut ja hyvään lopputulokseen päästään alan käsikirjoja ja yleisiä ohjeita hyödyntämällä. Mikäli tavoitteena on prosessin optimointi tai halutaan varmistaa lämpötilan tai virtauksen tasainen jakautuminen, virtauslaskenta antaa oivalliset työkalut.

Virtauslaskennan tulokset voidaan esittää havainnollistavina lämpötila-, paine-, nopeus- ja faasi/partikkelijakaumina. Myös vektorikentät ja virtaviivat antavat helposti ymmärrettävän kuvan simuloiduista ilmiöistä. Tuloksena voidaan saada myös numeerisia arvoja, jotka helpottavat tulosten vertaamista keskenään. Esimerkkejä CFD -laskennasta saatavista vertailuarvoista ovat keskimääräinen virtausnopeus, paine tai lämpötila, kokonaispainehäviö, putkiston osan paikallisvastus, sekoittimen teholuku ja reaktio/palamisnopeus. Lisäksi virtauslaskennan avulla voidaan arvioida kuinka kauan sekoittuminen, lämmitys/jäähdytys tai vaikka säiliön tyhjeneminen kestää. Ja ennen kaikkea, miten suunnitellut toiminnot vaikuttavat kiinnostavaan ilmiöön.

Käytössämme ovat virtauslaskentaohjelmat Fluent ja OpenFoam sekä mallinnus/jälkikäsittelyohjelmat FEMAP, NX6, Ansys Workbench, Space Claim ja MSC. Patran.