Узнать цену работы
Статьи по теме

Вычислительная гидродинамика

Этапы развития вычислительной гидродинамики

Основные задачи вычислительной гидродинамики

Применение вычислительной гидродинамики

Значительным подразделом физики, изучающим механические процессы, происходящие в сплошных средах, состоящим из численных, математических и физических методов для точного определения особенностей присущих потоковым процессам является вычислительная гидродинамика.

Любое научное исследование в сфере вычислительной гидродинамики опирается на ключевые постулаты газо- и гидродинамики потоков, описанные уравнениями:

  • Сохранения энергии;
  • Сохранения внутреннего импульса;
  • Пространственной неразрывности;
  • Реального состояния (относится к газам).

В зависимости от имеющихся в задачах требований, среды бывают несжимаемыми или сжимаемыми. В случае с несжимаемой средой сложность формул значительно снижается.

Формулы служат в основном для описания приблизительной модели потоков сред, способной дополняться формулами, учитывающими химические реакции, турбулентность, перенос вещества, электромагнитные взаимодействия, многофазность.

Нелинейные дифференциальные уравнения второго порядка описывающее каждый из вышеописанных постулатов складывается в систему, имеющую аналитическое решение в сравнительно простых случаях, с несложной геометрией при недостатке для задачи числа Рейнольдса. Численное решение задачи, для расширенного диапазона процессов в природе и технологии, возможно только в случае замены в уравнениях производных окончательными разностями, сформированными в небольших интервалах пространства и времени.

Решение подобных систем уравнений возможно различными методами:

  • окончательных разностей;
  • окончательных объёмов;
  • окончательных элементов;
  • сглаженных дискретных элементов;
  • с учётом функции случайного распределения величины вероятности.

Этапы развития вычислительной гидродинамики

Начало механического этапа развития техники для выполнения расчётов ознаменовалось появлением соответствующих уровню развития механики в 17 в. вычислительных приборов и устройств, реализующих механические принципы выполнения расчётов. Подобные устройства базировались на механических элементах обеспечивающих перенос старшего разряда автоматически.

Динамично развивающееся инженерное моделирование, применяющее методы вычислительной гидродинамики, получило поддержку крупных компаний работающих по всему миру, помогая в его становлении и развитии в промышленных масштабах.

Данное направление науки зародилось в исследованиях, проводимых для военной и аэрокосмической отраслей, и зависело от наличия и уровня вычислительной техники. С течением времени интерес к нему стали проявлять представители гражданских промышленных кругов.

В развитии вычислительной гидродинамики исследователями выделяется три основных этапа:

  • 1-я волна – 70-е, 80-е годы, характеризуемые началом коммерческого периода;
  • 2-я волна – 90-е годы, ознаменованы появлением в научно-исследовательских и конструкторских подразделениях промышленных корпораций вычислительной аппаратуры;
  • 3-я волна – 2000-е годы и по сей день, характеризуется применением при проектировании любой продукции вычислительной гидродинамики.

Характерными чертами оборудования, применяемого на первом этапе становления вычислительной гидродинамики в исследованиях под руководством профессора Сполдинга в Америке, являлись примитивность ресурсов, неудобство и недоразвитость инструментов ввода данных, интерфейса пользователя и графики. Размер моделей был ограничен, поэтому потребовалось повышение требований к проектированию физических и геометрических задач. Комплексная оценка полученных данных требовала обязательной проверки получаемой модели.

Открывшиеся более широкие возможности для вычислительной гидродинамики на втором этапе развития впервые позволили привлечь массу заинтересованных пользователей, обладающих опытом постановки и решения задач в промышленности. Применяемые принципы моделирования были основным инструментом для проектирования продукции инженерами, не обладающих опытом работы с подобной системой и дополнительными знаниями методов чисел.

Характерные для третьего этапа развития вычислительные аппараты дали возможность экспертам в разных областях и новичкам поднять науку на новый уровень, поставив на рынок уникальные технологии, реализующие передовые методы. Нетрадиционные подходы и инновации в современном вычислительном оборудовании, ещё больше разнообразят эту сферу.

Основные задачи вычислительной гидродинамики

Гидродинамика изучает движение жидкостей и газов в идеальных условиях и в реальности. Кроме того, она рассматривает движущую силу протекающей жидкости – разности давлений. Основными задачами науки является:

Внутренняя – анализ параметров характеризующих движущуюся по трубам и каналам жидкости;

Внешняя – выявление закономерностей сопровождающих процесс обтекания препятствия, перемешивания, осаждения и т.д.

Задачи вычислительной газо- и гидродинамики отличаются большей сложностью с точки зрения вычислений по причине нелинейного характера начальных моделей и их численных характеристик при анализе.

Существует масса разнообразных методов применяемых к решению задач вычислительной гидродинамики в разных подходах. Условно их делят на три класса: лагранжевы – для движущихся совместно с частицами среды сеток; эйлеровы – для неподвижных сеток; смешанные - совмещающие положительные стороны двух классов.

Для решения задач связанных с гидроупругостью лучше применять смешанные и лагранжевы методы, поскольку при расчётах постоянно изменяется занимаемая жидкостью или газом область, форма меняется в зависимости от деформации и смещения обтекаемых тел, зависящего от гидродинамических нагрузок действующих на него.

Имеется очень малочисленный класс задач, имеющий очень важное практическое значение, подразумевающий подробное моделирование течений происходящих с низкими дозвуковыми скоростями, при котором влиянием, оказываемым сжиманием среды можно пренебречь. В случае сравнительно небольшой, отличной от нуля области завихрения (характерной для моделирования обтекания снаружи материального тела) решение эффективнее выполнять с применением лагранжевых сеточных вихревых методов.

Повышение скорости вычислений является основной темой достаточно большого количества изысканий: главные направления увеличения скорости подсчёта – использование приблизительных скоростных методов и использование параллельных алгоритмов вычисления с подключением новейших достижений в области технологий. Во время выполнения расчётов могут привлекать внимание как распределение по обтекаемому профилю давления и интегральные величины оказывающих на него потоком нагрузок – силы подъёма, момента аэродинамики, фронтального сопротивления, так и изменяющегося поля скоростей и давления.

Применение вычислительной гидродинамики

Основными направлениями использования вычислительной техники являются:

  • Применение в численных расчётах вычислительной техники;
  • Использование в автоматизированных и автоматических информационных системах возможностей вычислительной техники.

Вычислительная гидродинамика изначально создавалась для решения сложнейших аэрокосмических задач - точных расчётов ракетных двигателей, анализа физико-химических явлений вокруг боеголовок ракет и самолётов летающих на сверхзвуковой скорости.

На сегодняшний день сфера применения достижений вычислительной гидродинамики значительно расширилась за счёт появления гражданских приложений.

Методы присущие этому разделу физики с попутным привлечением коммерческих программ применяют для решения следующих основных задач:

  • Автомобилестроительная отрасль – расчёт характеристик сопротивления автомобильного корпуса воздушному потоку, вентилирования салона и пространства под капотом, процессов при сгорании топлива.
  • Аэрокосмическая отрасль – расчёт и моделирование обтекаемости корпусов ракет и самолётов, процессов происходящих в турбореактивных двигателях.
  • Производство материалов – проработка процессов литья металлов и пластмасс в формы, создание модели процессов происходящих в реакторах.
  • Строительная отрасль – расчёт сопротивлений в системах вентиляции и распределения воды, моделирование нагрузок на сооружения под воздействием ветра.
  • Энергетическая отрасль – расчёт количества горелок в котлах и уровень выбросов вредных веществ.

Вычислительная гидродинамика оказывает в целом значительное влияние на развитие современной техники в мире. Она также способна помочь в разрешении чрезвычайных ситуаций путём моделирования распространения попадающих в водную или воздушную среду загрязнений, а так же моделирования направления распространения пожара в лесу или городе для его последующей ликвидации.

Узнать цену работы
Узнай цену
своей работы
Нужны оригинальность, уникальность и персональный подход?
Закажи свою оригинальную работу
УЗНАТЬ СТОИМОСТЬ