Virtauslaskenta

Virtauslaskenta, CFD, "computational fluid dynamics" termillä tarkoitetaan ilman/veden virtauksen simulointia. Olet ehkä törmäänyt siihen kilpa-autojen yhteydessä. Menetelmä ei ole kovin laajasti käytetty, oletettavasti syinä ovat; menetelmä kehittyy koko ajan, se vaatii runsaasti laskentakapasiteettia, ohjelmat vaativat asiantuntemusta ja näkemystä aiheesta. Laskenta on iteratiivinen, joka tarkoittaa käytännössä sitä, että huono käyttäjä ei voi saada järkeviä tuloksia. Jotta laskenta saadaan suppenemaan, käyttäjällä pitää olla hyppysissä myös tunnetta eikä pelkästään osto-ohjelmaa.

Olemme vuodesta 2018 alkaen käyttäneet CFD laskentaa omiin tarkoituksiimme.

Ja nyt voimme tarjota apua myös muille.

Mihin kohteisiin CFD on sopiva työkalu? Kattava vastaus on hankala antaa. Menetelmällä on rajoituksensa. Lukuarvojen (voimista, yms) tuloksien tarkkuus on hankala arvioida. Koska laskenta vaatii paljon koneaikaa, mallia ja laskentaverkkoa on järkevä yksinkertaistaa mahdollisimman paljon. On suuri merkitys meneekö laskenta läpi tunneissa vai päivissä (viikoissa). Ja silloin tulosten toistaminen on hankalaa. Käytäntö osoittaa että laskenta-ajan kasvaessa tulokset lähestyvät jotain tiettyä lopputulosta.

Käytettävyyttä arvioitaessa:

Voimien määrittely edellä olevilla varauksilla onnistuu

Vertailu kahden (tai useamman) tapauksen välillä on helppoa tehdä ja tulokset ovat oikeaan suuntaan.

Yllättävien virtausten selvittäminen suunnittelun alkuvaiheessa tai kun kohde on valmis, mutta on ilmennyt ongelmia.

Esimerkki

Kaksi perävaunua, hevoskuljetusvaunu ja venetraileri, jossa H-vene kyydissä. Molemmat parkkeerattuna, kumpi on suuremmassa vaarassa kaatua kovalla tuulella?

Analyysiä varten tarvitaan 3D mallit, joiden avulla voidaan aloittaa. Mallille on omat rajoituksensa ja kovin pieniä yksityiskohtia ei tarvita. Tuuli joka säätiedotuksissa kerrotaan ei ole ihmisen kokema tuuli. Yleensä se mitataan 10 m korkeudesta. Katso Ilmatieteen laitos. Jos säätietojen tuuli on 10 m/s, niin avoimessa maastossa ihmisen pään korkeudella tuulennopeus on noin 6-7 m/s. Tämä tuulen gradientti pitää maanpäälisiin simulointeihin (kuten esimerkissä), joissa tuuli huomioidaan, ottaa mukaan. Jos vaikka kyse olisi auton/moottoripyörän simulointi, silloin gradienttiä ei ole. Jos arvioidaan kaatumisvaaraa, niin 15 minuutin keskiarvo on epärelevantti. Muutaman sekunnin puuska riittää kaatamaan vaunun. Puuskat on yleensä enintään 2 kertaa nopeampia kuin keskituuli.

Ilman tulkintaa CFD:llä voidaan laskea että suoraan sivusta tuulennopeudella (10m korkealla) 10 m/s, kallistava momentti olisi:

H-vene painaa ilman takilaa noin 1350 kg, sopiva venetraileri painaa noin 550 kg. Hevosvaunu painaa noin 900 kg. Venetrailerin pyörien leveys on tyypillisesti 1,86 m, hevoskärry on kapeampi, pyörien keskikohtien leveys 1,56 m. Näistä saadaan momentti, joka tarvitaan aloittamaan kaatumisen. Aerodynaamiset voimat kasvavat nopeuden neliössä, joten tuloksista voidaan laskea, millä keskituulen nopeudella puuska saa vaunun tuulenpuolen pyörän nousemaan ilmaan.

Suoralla sivutuulella, tarvittava keskituuli olisi:

Ihan kuin vene olisi se joka ensin kaatuu. Mutta jos tuloksia tutkii sillä silmällä, huomataan että virtauskenttä on tapauksissa varsin erilainen. Hevosvaunu on jo silmämääräisesti veneeseen nähden aivan erilainen este. Vene on poikittain melko virtaviivainen. Hevosvaunu ei. Veneellä pituussuuntainen voima on 1,4% poikittaisesta voimasta. Hevosvaunussa pituussuuntainen voima on 10,9% poikittaisesta. Siis 8 kertaa suurempi. Asia edellyttää lisäanalyysiä.

Suuntaherkkyys

Malleja ajettiin eri suuntaisilla tuulilla. Nolla astetta on tuuli, joka on vetoauton suunta, eli sama kuin maantiellä vedettäessä. 90 astetta on suora sivutuuli.

Aivan pienillä tuulen kulmilla hevoskärryn kallistava voima on suurempi kuin veneellä. Ja hevoskärrin suurin momentti saavutetaan 45 asteen kulmalla. Veneellä kallistava momentti on suurimmillaan suoralla sivutuulella.

Syy näkyy kun katsotaan virtauskuviota 45 asteen tuulella.

Hevosvaunun suojan puolelle muodostuu reilu pyörre, joka alkaa etu/yläkulman viistetystä osasta. Se toimii vähän samaan tapaan kuin deltasiipisen lentokoneen siipi. Kääntyvä virtaus tarvitsee voimaa ja se kohdistuu kohtisuorassa suunnassa esteeseen, eli vaunuun. Vastaavasti veneen kanssa ei oikeastaan ole mitään vastaavaa virtauksen kääntymistä, saati sitten pyörteen muodostumista.

Kun otetaankin kullakin se kriittisin tuulensuunta, hevosvaunu onkin selvällä erolla se, joka kaatuu ensin.

Ota yhteyttä, niin keskustellaan olisiko tästä apua sinulle!

Windcraft Oy, Norolantie 14, 15270 KUKKILA,
Aki Suokas 050-5660739