Virtauslaskentapalvelut
Virtauslaskenta
Virtauslaskenta (Computational Fluid Dynamics, CFD) on matemaattinen simulointimenetelmä, jolla voidaan ratkaista kaasujen tai nesteiden virtausta ja sen ominaisuuksia.
Virtauslaskenta tietoa päätöksentekoon. CFD-laskennan avulla voidaan tuottaa arvokasta ja yksityiskohtaista tietoa, jota on vaikeaa tai mahdotonta muutoin saada. Virtauslaskentatieto mahdollistaa parempia ratkaisuja ja tarjoaa valtavan taloudellisen säästöpotentiaalin. Virtauslaskennan avulla saadaan jo suunnitteluvaiheessa tietoa muun muassa lämpövuotojen mahdollisuuksista ja näin niitä voidaan myös ehkäistä ja optimoida rakennustan suunnittelua.
Virtauslaskentamenetelmät
- Esikäsittely – 3D-geometrian ja laskentaverkon generointi
- Numeerinen ratkaisu – Virtausta kuvaavien Navier–Stokes -yhtälöiden numeerinen ratkaisu joko ns. steady-state tai ajasta riippuvassa muodossa.
- Jälkikäsittely – Numeerisen laskentadatan käsittely kuviksi ja animaatioiksi
Virtauslaskennan osaamisalueet
Tarjoamme virtauslaskentapalveluja (CFD) laaja-alaisesti eri sovelluskohteisiin.
Käytämme virtauslaskentaan moderneja ja tehokkaita työkaluja sekä laskentaan supertietokoneympäristöjä mahdollistaen satojen tai tuhansien prosessoriytimien hyödyntämisen laskennan nopeuttamiseksi ja laadukkuuden kasvattamiseksi.
Katso esimerkkejä virtauslaskennan kohteistamme:
- Sweco CFD-palvelut
- Sweco CFD-palvelut: veden ja vesistöjen virtausanalyysit
- Data Center CFD Services: CFD Services for Data Centers
- Explosion and Blast Wave Analysis: Explosion and Blast Wave Analysis
Tyypillisiä virtauslaskennan sovelluskohteitamme ovat esimerkiksi:
Sisäilmastoanalyysit
- Lämpötilajakauma ja vetoriski monimutkaisissa ja isoissa tiloissa
- LVI-laitteiden toiminta ja optimointi
- Ilmanjako ja ilmanvaihtuvuus
- Sisäilman epäpuhtauksien leviäminen ja kontrollointi
Rakennetun ympäristön tuulisuus
- Tuuliviihtyisyys
- Tuulikuormat
- Ilmansaasteiden leviäminen
Vesistöjen virtausanalyysit
- Vesistöjen, jokien ja koskien virtausanalyysit
- Voimalaitosten ja patojen virtausanalyysit
- Satamien ja kanavien virtausanalyysit
Teollisuuden sovellukset
- Painehäviötarkastelut
- Monifraasivirtaukset
- Lämmönsiirto
- Prosessien ja laitteiden simuloinnit
- Partikkelisimuloinnit
- Pyörivien koneiden analyysit
Rakennusfysikaaliset simuloinnit
- Rakenteiden tuulettuvuus
- Lämmönsiirto
- Kosteudensiirto
Tuulisuusanalyysit | virtuaalinen tuulitunneli
Tuulitunnelianalyyseillä tarkastellaan ilman virtausta ja sen aiheuttamia vaikutuksia ilman virratessa kiinteiden kappaleiden ohitse. Tuulitunneli koostuu tyypillisesti suorakaiteen muotoisesta kanavasta, jossa tarkasteltavat kohteet on kiinnitetty pyörivään alustaan eri tuulensuuntien analysoimiseksi. Tuulitunnelikokeet on perinteisesti suoritettu hyödyntäen kokeellisia menetelmiä. Tietokoneiden laskentakapasiteetin kasvun myötä tuulitunnelianalyyseja on mahdollista suorittaa kustannustehokkaasti virtuaaliympäristössä. Virtuaalinen tuulitunnelianalyysi sisältää sekä rakennetun ympäristön että ympäröivän maaston täysikokoiset 3D-mallit ja hyödyntää meteorologista mittausdataa alueen tuulisuudelle.
Virtuaalinen tuulitunneli hyödyntää:
Virtuaalinen tuulitunneli hyödyntää:
- Rakennetun ympäristön 3D-malli
- Maaston 3D-malli
- Paikallisen tuulen tilastollinen mittausdata
Rakennetun ympäristön CFD-simulointien avulla voidaan:
- suunnitella ja parantaa ulkotilojen viihtyisyyttä kaupunkiympäristöissä
- tutkia tuulen aiheuttamaa ilmansaasteiden leviämistä ilmassa
Tuulitunneli on työkalu, jolla analysoidaan ilman virtaamisen vaikutuksia kiinteiden kohteiden, kuten rakennusten, ympärillä. Tuulitunneli koostuu putkimaisesta kanavasta, johon tutkittavat kohteet sijoitetaan ja jossa ilma johdetaan virtaamaan kohteiden ohi.
Tuuliviihtyisyys
Tuuliviihtyisyysselvitys analysoi tuulesta aiheutuvia vaikutuksia rakennetun ympäristön käyttäjien viihtyisyyden kannalta. Selvityksen tuloksena rakennettu ympäristö luokitellaan alueittain soveltuvaksi erilaisiin käyttäjän toimintoihin perustuen, kuten esimerkiksi istumiseen (terassit, puistot yms.), seisomiseen (sisäänkulkuaukot, bussipysäkit, yms.) tai kävelyyn (jalankulkuväylät). Selvityksen avulla voidaan osoittaa mahdolliset epäkohdat käyttäjien tuuliviihtyisyyden/turvallisuuden kannalta ja varmistaa korjaavien toimenpiteiden toimivuus jo suunnitteluvaiheessa mahdollistaen kustannustehokkaan suunnitteluprosessin.
Virtauslaskennan teolliset sovellukset ja järjestelmät
Virtauskentän optimoimisella voidaan parantaa sovelluksen suorituskykyä ja toimivuutta sekä saavuttaa kustannussäästöjä. Virtauslaskennan avulla tämä voidaan tehdä jo suunnittelupöydällä ilman ensimmäistäkään fyysistä prototyyppiä. Pienilläkin asioilla on virtauskentän kannalta suuri merkitys; esimerkiksi geometristen muotojen suhteellisen pienellä muutoksella voidaan saavuttaa merkittävä suorituskyvyn parannus. Monen sovelluksen toiminta perustuu virtauksien yksityiskohtien hyödyntämiseen. Esimerkiksi virtauksen irtoaminen pinnalta tai virtauksen kuristaminen ovat mm. lämmönvaihtimien ja ilmanvaihdon päätelaitteiden toiminnan taustalla.
Sovelluksen kokonaiskustannukset sisältävät erilaisia suunnittelu- ja tuotekehityskustannuksia. Virtuaaliprototypoinnin avulla voidaan useista kustannuksista nipistää ja saada toimivampi tuote markkinoille. Myös vähentynyt prototyyppien valmistus ja lisääntynyt tieto sovelluksen virtausilmiöistä ovat tyypillisiä virtauslaskennan hyötyjä.
Virtauksien optimointi
Monifaasivirtaukset
Lämpöakut
Dynaamiset sovellukset
Teollisuuden komponentit
Lämmönsiirto
Partikkelisimuloinnit
Vesistöjen, patojen ja satamien analyysit
Veden virtaus on usein toistuva monifaasivirtaustyyppi (vesi + ilma). Esimerkiksi patojen tapauksessa liikkuvat vesimassat ovat usein suuria ja siten myös niiden hallitseminen ontärkeää. Virtaustekninen haaste voi olla energian tuotantoon liittyvä näkökulma, erilaisten ylivuototilanteiden hallinta, veden pinnan nousu, tulviminen tai vaikkapa rakenteisiin aiheutuviin kuormiin varautuminen. Liikkuviin vesimassoihin liittyy useissa tilanteissa ajasta riippuvia heilahteluja, jotka voidaan huomioida virtauslaskennan avulla. Vastaavasti kuin tuulikuormien tapauksessa, virtaava vesi aiheuttaa painekuormia kiinteille rakenteille, jotka voidaan virtauslaskennan avulla ratkaista tarkasti.
Ilman sekoittuminen ja kulkeutuminen (entraiment)
Sisäilmaston suunnittelu ja validointi
Ihmiset viettävät yli 90 % ajastaan sisäympäristöissä. Sisäympäristön laatu yhdistää rakennusten terveyden, sisäympäristön käyttäjien turvallisuuden ja viihtyisyyden sekä työntekijöiden tehokkuuden. Huonosta sisäympäristön laadusta saattaa seurata epätyytyväisyyttä ja terveydellisiä riskejä niin käyttäjien kuin itse rakennuksen kannalta.
Turvallinen, viihtyisä ja energiatehokas sisäympäristö voidaan luoda hyvällä suunnittelulla. Suurten tai monimutkaisten tilojen lämmitys ja jäähdytys on haastava insinööritehtävä, etenkin lämpimimpien ja kylmimpien ajanjaksojen osalta. Usein esiin nouseva kysymys on luoko suunniteltu ilmanvaihto- ja jäähdytysratkaisu viihtyisän sisäympäristön myös suurimpien lämpökuormien tapauksessa. Modernit arkkitehtuuriset ratkaisut myös osaltaan haastavat laadukkaan sisäilmaston suunnittelun.
Lämpöjakauma
Sisäympäristön olosuhteet pyritään usein luomaan mahdollisimman tasalaatuisiksi sekoittavalla ilmanvaihdolla. Käyttäjälle pyritään luomaan viihtyisä ja turvallinen ympäristö sijainnista huolimatta. Puhtaan ja raikkaan sisäilman sekä tasaisen lämpötilajakauman luominen isoihin tai monimutkaisiin tiloihin vaatii osaamista ja korkeatasoisia työkaluja.
Lämpöviihtyisyys
Lämpöviihtyisyys kuvaa käyttäjien tyytyväisyyttä sisäympäristön lämpöolosuhteisiin. Lämpöviihtyisyys ei ole riippuvainen pelkästään sisäilman lämpötilasta, vaan on useamman tekijän yhdistelmä. Esimerkiksi ilman virtaukset voivat aiheuttaa vedon tunnetta ja ovat tärkeässä roolissa etenkin viilennettäessä sisäympäristöä tai isojen ikkunoiden läheisyydessä talvikuukausina. Vetoriski kuvaa ilman virtausnopeuden, turbulenssin voimakkuuden ja lämpötilan yhdistelmän suhteen sisäympäristöön tyytymättömien ihmisten suhteellista määrää. Virtauslaskennan avulla sisäympäristöstä voidaan luoda laadukkaampi minimoimalla käyttäjien kokemaa vetoriskiä.
Rakennusfysiikka
Erilaisten rakenteiden toimivuuden suunnittelu tai validointi yksityiskohtaisella tasolla mahdollistaa monimutkaistenkin rakenteiden tuulettuvuus-, kosteustekniset- tai lämmönsiirtotarkastelut.
Eero Kokkonen
Osastopäällikkö, johtava CFD-insinööri