Jak poprawnie skonfigurować siatkę obliczeniową w CFD?

Wstęp

Siatka obliczeniowa jest podstawowym elementem symulacji CFD (Computational Fluid Dynamics). Jej konfiguracja znacząco wpływa na dokładność, szybkość i stabilność wyników obliczeń. Dobrze zaprojektowana siatka pozwala na realistyczne odwzorowanie zjawisk fizycznych, takich jak przepływ powietrza, wymiana ciepła czy rozwój pożaru, co czyni ją kluczowym aspektem modelowania z wykorzystaniem narzędzi takich jak Fire Dynamics Simulator (FDS). W tym artykule przyjrzymy się, jak poprawnie skonfigurować siatkę obliczeniową, aby zapewnić optymalne wyniki w różnych zastosowaniach.

Czym jest siatka obliczeniowa?

Siatka obliczeniowa to zbiór punktów w przestrzeni, które definiują obszar symulacji. Każdy punkt odpowiada małemu objętościowemu elementowi (celi), w którym obliczane są podstawowe zmienne, takie jak prędkość, ciśnienie, temperatura i skład chemiczny.

Rodzaje siatek:

1. Strukturalne – regularne siatki prostokątne lub sześcienne, łatwe do generowania, ale ograniczone w zastosowaniach do prostych geometrii.
2. Niestrukturalne – siatki o nieregularnym kształcie elementów, używane w bardziej skomplikowanych geometrach, wymagające większej mocy obliczeniowej.

W kontekście FDS siatki są zazwyczaj strukturalne, z możliwością stosowania kilku siatek (ang. multiple meshes) dla bardziej złożonych symulacji.

Kroki konfiguracji siatki obliczeniowej

1. Określenie obszaru symulacji
   Pierwszym krokiem jest precyzyjne zdefiniowanie granic modelowanego środowiska. Kluczowe jest uwzględnienie obszarów, w których występują znaczące zmiany przepływu, takie jak drzwi, okna czy przeszkody.
2. Wybór rozdzielczości siatki
   Rozdzielczość powinna być na tyle wysoka, aby uchwycić istotne szczegóły, ale nie tak drobna, by powodować nadmierne obciążenie obliczeniowe. Regułą w FDS jest stosowanie co najmniej 10 celi na najmniejszy wymiar obiektu.
3. Uwzględnienie obszarów krytycznych
   W miejscach o wysokim gradiencie prędkości lub temperatury zaleca się zwiększenie rozdzielczości. Narzędzia FDS, takie jak analiza jakości siatki, mogą pomóc w identyfikacji takich regionów.

Zasady dobrych praktyk

• Stabilność numeryczna: Zastosowanie warunku CFL (Courant–Friedrichs–Lewy) pomaga w uniknięciu błędów numerycznych.
• Optymalizacja wielo-meshowa: Umożliwia równoczesne użycie różnych rozdzielczości w zależności od potrzeb.
• Walidacja i testy wstępne: Zaleca się przeprowadzenie prostych testów symulacyjnych w celu oceny jakości i stabilności siatki.

Przykłady zastosowań

• Symulacje pożarowe w budynkach: Użycie wielo-meshowego podejścia pozwala na analizę wpływu ognia na różne pomieszczenia.
• Przepływy w systemach wentylacyjnych (HVAC): Podczas modelowania systemów HVAC rozdzielczość siatki w kanałach powinna być wystarczająco wysoka, aby dokładnie odwzorować turbulencje i wymianę ciepła.

Tabela: Porównanie konfiguracji siatek

Wnioski i rekomendacje

Konfiguracja siatki obliczeniowej jest kluczowym etapem każdej symulacji CFD. Poprawnie zaprojektowana siatka pozwala na uzyskanie wiarygodnych wyników przy optymalnym wykorzystaniu zasobów obliczeniowych.