Warmteberekeningen, CFD berekeningen & simulaties

Huygens Engineers voert de nodige warmteberekeningen en CFD berekeningen uit tijdens het proces van ontwikkeling en engineering. Het aandeel van warmteberekening en CFD simulatie varieert sterk tussen projecten, waarbij het aandeel in sommige projecten kan oplopen tot 100%. Analytisch inzicht zien wij als de belangrijkste drijfveer voor het ontwerp, met daaropvolgende bevestiging via FEA.

Wanneer een warmteberekeningen & CFD berekeningen?

Huygens Engineers levert reken- en simulatiediensten op het gebied van mechanica, warmte, vloeistofstroming en elektromagnetisme. Voor warmte en stroming hebben we capaciteiten met betrekking tot de volgende onderwerpen:

  • Stroming-simulatie en CFD-berekeningen
  • Koel- en verwarmingsoptimalisatie
  • Numerieke akoestische simulatie

 

CFD berekeningen en CFD-simulatie

Een toepassingsgebied van een CFD-berekening is de analytische modellering en voorspelling van het stromingsveld rond vleugels en propellers. De geometrie beïnvloedt de stroming. Vermindering van weerstand en toename van de voortstuwing c.q. lift leidt tot een hoger rendement. CFD-simulaties worden voornamelijk gedaan in ANSYS Fluent op een 36-core rekencluster.

Stuwkracht en weerstand van visstaart-voorstuwers voor containerschepen

Voorspelling van de stuwkracht en weerstand van oscillerende vleugels liggen aan de wieg van Huygens Engineers. De oprichters begonnen hun samenwerking op een omvangrijk, zeer gedisciplineerd en AP Moller-Maersk-gefinancierd project om de technische en economische haalbaarheid van visstaart-voorstuwers voor containerschepen te onderzoeken.

Het programma bestond uit verschillende onderdelen, waaronder een analytische voorspelling van stuwkracht en efficiëntie, en het hoogtepunt in wetenschappelijke zin bestond uit een succesvol systematisch meetprogramma dat werd uitgevoerd bij MARIN. De resultaten van het meetprogramma zijn gepresenteerd op de ONR-conferentie in Göteborg en zijn gepubliceerd onder de naam "A Systematic Experimental Study on Powering Performance of Flapping Foil Propulsors".

CFD-simulatie bij oscillerende vinnen

CFD-simulatie van de prestaties van de oscillerende vinnen is na het meetprogramma ook gedaan. De illustratie toont een CFD-simulatie van een oscillerende vin en de video de toont de werking van de voortstuwer zelf met de bijbehorende variërende krachten.

Een andere toepassing van CFD-simulaties is het modelleren van stationaire laminaire en turbulente stromingen. Dit gebeurt om specifieke systeemkarakteristieken te voorspellen, waaronder de drukval en warmteoverdracht in een warmtewisselaar, of de temperatuur van een koeling-vin die analytisch moeilijk te berekenen zou zijn. Enkele voorbeelden van stationaire stromingssimulaties zijn te zien in de onderstaande illustratie.

In de voorgaande voorbeelden van stromingssimulaties waren de stationaire oplossingen voldoende om de situatie te analyseren. Soms zijn deze echter niet voldoende en is simulatie van onstabiele stroming een vereiste. De video toont een onstabiele convectie rond een verwarmingselement, gesimuleerd in ANSYS Fluent. Omdat het verwarmingselement de temperatuur van de omgeving/de omringende gassen constant verhoogt kan er geen stationaire oplossing worden gebruikt om het proces te beschrijven.

Hoge kwaliteit mesh

Simulaties met bewegende geometrieën vereisen een mesh van hoge kwaliteit. Het maken van een dergelijke mesh voor de volledige geometrie is, vooral bij grote verplaatsingen, een uitdaging. Een gebruikelijke benadering voor situaties zoals deze is het inzetten van overlopende meshes, waarbij individuele componenten afzonderlijk worden gerasterd en elkaar (bijna) willekeurig overlappen.

Mesh voorbeeld

Een voorbeeld van de mesh-, stromings- en drukvelden van een 2-lobbenpomp is te vinden in de afbeelding en video, waarbij het raster van ieder componentraster een andere kleur krijgt. Het netwerk bestaat uit veldcellen waarin de geldende vergelijkingen (transportvergelijkingen van massa, momentum en energie) zijn opgelost, randcellen die worden opgelost door interpolatie uit de veldcellen van het andere complementaire mesh en “dode” cellen die irrelevant zijn voor de oplossing.

In sommige situaties wordt de geometrie beperkt door bepaalde bouwvereisten. Dit is bijvoorbeeld het geval wanneer een overgangsstuk voor een cirkelvormige naar een vierkante vorm moet worden ontworpen voor maximale stromingsuniformiteit. De figuur toont een close-up van de mesh en de snelheidscontouren van de geometrie van een luchtkanaal.

 

Koeling- en verwarmingsoptimalisatie

Het thermische gedrag van een systeem kan soms een grote invloed hebben op de levensduur van aandrijftechniek. De analyse is vaak complex vanwege de stroming rond de structuur in combinatie met het effect van bewegende delen. 3D-berekeningen van het thermische gedrag van een dergelijk systeem kunnen daardoor gecompliceerd en tijdrovend worden, terwijl de nauwkeurigheid van dit soort berekeningen soms onzeker is. In dergelijke situaties kan het efficiënt zijn om analytische 1D- of 2D-berekeningen uit te voeren in Mathcad of Python, en complexe convectie-, geleiding- of stralingsproblemen te vertalen in bekende empirische relaties. De illustratie geeft een voorbeeld van een dergelijke benadering in het geval van een voortstuwer. Warmteoverdracht en temperatuuropbouw in de voortstuwer zorgde voor inzicht op het gebied van de beste oilie-viscositeit en geschikte koelingsmethodes.

Stationaire en niet-stationaire temperatuurprofielen

Naast het uitvoeren van analytische berekeningen simuleert Huygens Engineers stationaire en niet-stationaire temperatuurprofielen in vaste stoffen. Aangezien warmte dan wordt overgedragen door (slechte) geleiding, vragen toepassingen zoals spuitgieten actieve koeling. Het loont temperatuurcycli goed in kaart te brengen en dit gebeurt door thermische simulaties.

De thermische geleiding binnen één model kan sterk variëren zijn en hoeft bovendien niet constant te zijn over het gehele temperatuurbereik. Bijvoorbeeld, in het geval van plastic spuitgieten zal een stalen mal de warmte veel sneller geleiden dan het plastic product. Voor organische materialen, zoals vlees, zijn variërende thermische eigenschappen heel gebruikelijk. Vries- en kookeffecten van het water- en vetgehalte beïnvloeden de specifieke warmte en de mate van geleiding. De figuur toont een voorbeeld van koeling in een vleesproduct met een lage thermische geleiding en een video van koeling in een gietvorm met een hoge geleidingscoëfficiënt.

In convectie georiënteerde projecten bepaalt Huygens Engineers convectiecoëfficiënten door gedetailleerde simulatie, validatie en meting van elementen in een stroom.

Een specifiek fenomeen met betrekking tot cyclisch koelen is thermische schok en de daarbij behorende spanning in het materiaal. Een sensor die gebruikt wordt in een omgeving die cyclisch snelle temperatuurstijgingen van -30 °C tot 60 °C haalde de levensduurdoelen niet.

Simulatie in ANSYS Transient Thermal toonde aan dat twee effecten interne spanning veroorzaakten die ervoor zorgden dat de spanning tijdens de cyclus de acceptabele limieten overschreed. Het eerste effect is een verschil in thermische expansie als gevolg van de vertraagde verspreiding van de temperatuur, die op zijn beurt wordt veroorzaakt door de lage thermische geleiding van roestvaststaal. Het tweede effect is een groot verschil in thermische expansiecoëfficiënten (bijna met een factor 2) tussen austenitisch roestvrijstaal, gebruikt in de behuizing, en precipitatie uithardend roestvrijstaal, toegepast in het element met rekstrookjes. De video toont een visualisatie van deze thermische schok.

Soms is programmeren de meest logische weg. Zo heeft Huygens Engineers ervaring opgedaan met het simuleren van cyclische tweedimensionale koeling van trommelmotoren in interactie met een aangedreven band. Trommelmotoren koelen af door cyclisch contact van delen van de trommel met de band. De cycli van het oppervlak van de drummotor en van de band stabiliseren na verloop van tijd in vaste cyclus. Het plastic van de band is een slechte warmtegeleider, en het bandmateriaal mag niet worden blootgesteld aan temperaturen waar sterkte onder minimumwaarden daalt. Huygens Engineers heeft een 2D finite-difference Python-simulatie voor deze toepassing ontwikkeld voor gebruik bij engineering van toepassingen in warme omgevingen. De onderstaande figuur toont het resulterende gediscretiseerde numeriek model in Python.

Naast geleiding en convectie is straling een belangrijke vorm van energietransport. De figuur toont een ANSYS-simulatie van warmtestraling van infrarode (IR) verwarmingselementen naar een kunststof onderdeel. Dit specifieke proces wordt door een van onze klanten gebruikt om delen van de geometrie lokaal gecontroleerd te verwarmen. Door IR-absorptiemetingen op het materiaal uit te voeren kon Huygens Engineers de warmteabsorptie van het kunststof-materiaal nauwkeurig voorspellen. De figuur toont een simulatie van stralingsverwarming van kunststof.

Numerieke akoestische simulatie

Akoestische numerieke simulaties kan worden ingezet om apparatuur stiller te krijgen, inzicht te geven in geluidsproblemen en/of voorgestelde oplossingen te beoordelen. De figuur toont de numerieke geluidsanalyse van een machine in de voedselverwerkende industrie die hinderlijk geluid veroorzaakte. Huygens Engineers kon makkelijk laten zien dat dit door een staande golf werd veroorzaakt die kon worden geëlimineerd.

Wij danken u voor uw interesse in Huygens Engineers, wij beantwoorden uw vragen graag en we nodigen u van harte uit om te overwegen of wij iets voor u kunnen betekenen.

Indien u interesse of vragen heeft in onze diensten m.b.t. warmteberekeningen, CFD simulaties en numeriek akoestische simulaties, kunt u gerust contact met ons opnemen. Wij beantwoorden uw vragen graag en we nodigen u van harte uit om te overwegen ons bij uw vragen te betrekken. U kunt contact opnemen via telefoonnummer 074 750 8806 of via het e-mailadres: sales@huygens-engineers.nl

Deze website maakt gebruik van cookies om ervoor te zorgen dat u de beste ervaring op onze website krijgt