Вычислительная гидродинамика — обширный подраздел механики сплошных сред, который включает совокупность математических, физических и численных методов, предназначенных для точного вычисления особенностей потоковых процессов.
Основой любого научного исследования в сфере вычислительной гидродинамики является грамотная формулировка ключевых уравнений гидро- или газодинамики потоков, а именно:
- уравнения сохранения внутреннего импульса;
- уравнения пространственной неразрывности;
- уравнение сохранения энергии;
- уравнение реального состояния (для газов).
В зависимости от требований задачи среды зачастую рассматривается как сжимаемая или несжимаемая. В последнем случае все формулы в значительной мере упрощаются.
Вышеуказанные уравнения в основном описывают приблизительную модель течения среды, которая может быть дополнена другими формулами для учёта переноса материальных веществ, учёта химических хаотических реакций, учёта многофазности пространства электромагнитных взаимодействий.
Из указанных постулатов в результате составляется концепция дифференциальных нелинейных уравнений второго порядка. Система имеет только аналитическое решение в достаточно простых случаях, когда параметра Рейнольдса для задачи мало, а геометрия простая. Для более широкого спектра технологических и природных процессов задачу возможно решить численно в том случае, если стоящие в уравнениях производные заменить на итоговые разности, сформированные на малых временных и пространственных интервалах.
Существуют разные методы решения концепций уравнений, например:
- метод конечных объемов и разностей;
- метод итоговых элементов;
- метод сглаженных элементарных частиц;
- метод с применением функции распределения вероятности.
Этапы развития вычислительной гидродинамики
Рисунок 1. Механический этап развития вычислительной техники. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Представление о становлении инженерного моделирования в вычислительной гидродинамике разрабатываются и поддерживаются в промышленных масштабах крупными многонациональными компаниями.
Из-за привязанности к существующим вычислительным аппаратам, развитие этого научного направления происходило в основном посредством научно-исследовательских проектов для оборонной и аэрокосмической промышленности, однако вскоре все больше интереса проявлялось и со стороны гражданской промышленности.
На сегодняшний день исследователи выделяют три основных периода развития вычислительной гидродинамики:
- первая волна: начало коммерческого период в 70-х и 80-х;
- вторая волна: в 90-х, появление вычислительных аппаратных установок в конструкторских и научно-исследовательских отделах промышленных корпораций;
- третья волна: 2000-е и по настоящее время, вычислительная гидродинамика становится неотъемлемой и важной частью процесса проектирования любого продукта.
Отличительными характеристиками первого периода в развитии гидродинамики вычислительных приборов, который уходит корнями в исследовательские проекты под руководством американского профессора Сполдинга, стали: примитивный и неудобный пользовательский интерфейс ввода информации, рудиментарная графика и очень простые вычислительные ресурсы. Все это значительно ограничивало максимальный размер модели. Эти ограничения привели к надобности формирования более высоких требований к пользователю в отношении проектирования геометрии и физики. Таким образом, возникла комплексная оценка полученных данных, а проверка результатов моделирования была обязательным шагом рабочего процесса.
Концепция второй волны открыла совершенно новые возможности современного рынка, потому что вычислительная гидродинамика впервые охватывала гораздо более обширную группу пользователей, которые имеют промышленные задачи и опыт их дальнейшего решения. Также это был тот период, когда инженеры смогли без дополнительных знаний численных способов и, не имея опыта работы с данной системой, использовать принципы моделирования в качестве главного инструмента проектирования продукта.
Продолжающая развитие гидродинамики вычислительных аппаратов третья волна, предоставила новичкам и экспертам из других областей возможность выйти на новый уровень, освежив рынок уникальными передовыми технологиям. В настоящее время сфера вычислительных приборов становится все более разнообразной за счет инновационных и нетрадиционных подходов.
Основные задачи вычислительной гидродинамики
Рисунок 2. Гидродинамика. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Задачи вычислительной гидро- и газодинамики являются одними из наиболее сложных с вычислительной точки зрения в силу нелинейности исходных математических моделей и характеристик их численного анализа.
Выбор подхода к решению задачи вычислительной гидромеханики не всегда является очевидным; существует огромное количество различных методов, которые упрощенно можно разделить на 3 класса: эйлеровы – расчет ведется на неподвижной сетке; лагранжевы - сетка движется вместе с частицами среды; гибридные подходы соединяют в себе преимущества методов обоих классов.
При решении задач гидроупругости предпочтительными являются лагранжевы и гибридные методы, поскольку область, занятая жидкостью или газом, изменяется на каждом шаге расчета: ее форма зависит от деформации и перемещения обтекаемых тел, которые, в свою очередь, определяются действующими на них гидродинамическими нагрузками.
Существует весьма узкий, однако крайне важный с практической точки зрения класс задач, предполагающий точное моделирование течений с малыми дозвуковыми скоростями, когда влиянием сжимаемости среды можно в итоге пренебречь. Если область, в которой завихренность отлична от нуля, сравнительно невелика (что обычно наблюдается при моделировании внешнего обтекания материальных тел), то для решения таких задач могут быть особенно эффективны сеточные лагранжевы вихревые методы.
Вопросам ускорения вычислений в вихревых методах посвящено достаточное количество работ; основные пути повышения скорости счета — это использование приближенных быстрых методов и применение параллельных вычислительных алгоритмов с применением новейших технологий. При проведении практических расчетов в зависимости от решаемой задачи могут представлять интерес как нестационарное поле скоростей среды и поле давления в ней, так и распределение давления по обтекаемому профилю, а также интегральные величины действующих на профиль со стороны потока нагрузок — лобового сопротивления, подъемной силы и аэродинамического момента
Применение вычислительной гидродинамики
Рисунок 3. Применение вычислительной техники. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Вычислительная гидродинамика изначально развивалась для решения сложных задач аэрокосмической промышленности – точный расчет камер сгорания ракетных моторов, учет всех физико-химических процессов при обтекании основных частей боеголовок и энергии сверхзвуковых самолетов.
В настоящее время сфера применения вычислительной гидродинамики в значительной мере расширена гражданскими приложениями.
Существует определенный список задач, решаемых с помощью методов данного раздела физики с использованием коммерческих программ:
- Автомобильная промышленность: установление параметра сопротивления главного корпуса машину движущемуся воздушному потоку; постоянная вентиляция салона и подкапотного салона; проектирование горения топлива.
- Аэрокосмическая промышленность: детальное моделирование обтекания ракет и самолетов; пожаробезопасность салонов летающих аппаратов; моделирование физико-химических явлений в турбореактивных моторах.
- Технологические процессы изготовления материалов: проектирование литья пластмасс и металлов в форму; моделирование биологических и химических процессов в реакторах.
- Строительство: точный расчет ветровых нагрузок на сооружения; определение возможных сопротивлений воздуховодов и водо-раздаточных аппаратов.
- Энергетика: учет горелок для сжигания топлива в котлах и расчет выбросов оксидов азота котлами.
В целом, вычислительная гидродинамика несет в себе значимую роль в развитии современного технического мира. Также применение данного направления в физике крайне важно при чрезвычайных ситуациях, так как посредством его методов можно смоделировать направления распространения загрязнений в водной и воздушной среде, и предотвратить распространение пожаров в лесах и городах.
