Analiza przepływów z użyciem symulacji numerycznych zbyt rzadko jest wykorzystywana w projektowaniu aparatury chemicznej i armatury przemysłowej. Odpowiednio zastosowane może być nieodzownym narzędziem do pozyskania danych, które są niedostępne lub trudno dostępne za pomocą testów doświadczalnych. O ile analiza wytrzymałościowa aparatów jest już dość dobrze osadzona i znana w środowisku projektantów, o tyle numeryczne obliczenia przepływów w aparatach przemysłowych już tak dobrze poznane nie są. Wykorzystanie metod analizy przepływowej umożliwia zredukowanie czasu wprowadzenia nowego produktu na rynek oraz zmniejszenie kosztów opracowania nowych produktów. Jeszcze do niedawna analiza przepływowa była stosowana tylko w branżach, w których przepływ ma zasadniczy wpływ na jakość gotowego produktu lub procesu. Były to motoryzacja, przemysł lotniczy i energetyczny. W rzeczywistości, przepływ ma wpływ na znacznie szerszą gamę branż i produktów, a każdy produkt mający kontakt z cieczą lub gazem może zostać znacząco udoskonalony poprzez analizę przepływów.

Czym jest CFD?

Zacznijmy od początku – czym jest CFD i jak można wykorzystać go w przemyśle? CFD (Computational Fluid Dynamics) jest to zbiór metod wykorzystywanych do obliczeń zjawisk zachodzących w cieczach i gazach. Do zjawisk tych można zaliczyć np.: spadek ciśnienia na zaworze, ilość wymienionego ciepła w wymienniku czy też rozdział mieszaniny w oddzielaczu. Czasami można spotkać polskie tłumaczenie CFD – Obliczeniowa Mechanika Płynów, jednak niestety jest ono rzadko spotykane i mało rozpowszechnione. CFD, tak samo jak metody analizujące wytrzymałość korpusów aparatów, wykorzystuje odpowiednio zapisane równania matematyczne. Jednak w porównaniu z równaniami opisującymi wytrzymałość np. pręcie, równania opisujące chociażby prosty przepływ wody w rurociągu już za pomocą kartki papieru rozpisać się nie da. Wynika to z komplikacji z jaką mamy do czynienia w cieczach i gazach w porównaniu do bryły sztywnej. O ile prawo Hooke'a będące podstawą opisu zachowania bryły sztywnej datowane jest na wiek XVII, to równania Naviera-Stokesa, opisujące zachowanie się płynu, datuje się na wiek XIX. Warto nadmienić, że równania Naviera-Stokesa zostały uznane jako jeden z siedmiu problemów milenijnych do tej pory analitycznie nierozwiązanych. Za to rozwiązanie przysługuje nagroda w wysokości 1 000 000 USD [1]. Aby rozwiązać te równania, stosuje się metody CFD z wykorzystaniem komputerów o stosunkowo dużej mocy obliczeniowej.

Model – wygodny sposób opisu rzeczywistości

Zatem, jak można wykorzystać CFD w przemyśle chemicznym lub też petrochemicznym? Opis tego pozwolę sobie zrobić na podstawie często stosowanej armatury, jaką jest zawór.

W trakcie prac nad opracowaniem nowego produktu, poprawą istniejącego lub też dowolną modernizacją mamy do czynienia z testami. Każdy test ma na celu uzyskanie pewnych danych. W przypadku zaworu może to być spadek ciśnienia czy też siła działająca na grzybek. Do tego samego celu można wykorzystać model numeryczny, który odpowie na te same pytania, a nawet dostarczy dodatkowych danych, jak na przykład miejsce najbardziej narażone na erozję. Co to jest ten model? Otóż, podobnie jak np. w trakcie produkcji samochodu, buduje się model do tego, żeby określić jaki opór będzie stawiał samochód, tak też w przypadku armatury przemysłowej zostają zbudowane modele. W przypadku analizy wytrzymałościowej modelem będzie trójwymiarowy projekt zaworu. W przypadku CFD musimy ten model zbudować na bazie projektu 3D, ponieważ tenże model ma być odwzorowaniem płynu przepływającego przez zawór. W tym wypadku do analiz wytrzymałościowych posłużyłby projekt 3D, natomiast do analiz przepływowych posłuży model odwzorowany za pomocą siatki obliczeniowej. Model, w sensie geometrycznym, jest bryłą zajmowaną przez  płyn, i tylko płyn, wewnątrz zaworu. Geometria jest ważnym, ale nie jedynym elementem modelu obliczeniowego. Modelowanie matematyczne, modelowanie numeryczne, czy też inne modelowanie to nic innego, jak opisywanie rzeczywistych obiektów bądź zjawisk w sposób dla nas wygodny lub też możliwy do rozwiązania. Jako przykład może posłużyć znany ze szkoły model fizyczny cieczy. Założenie, że ciecz jest nieściśliwa, jest modelem, który w większości przypadków jest bardzo bliski prawdy. Jednak jeżeli chcemy dokonać analizy np. zjawiska uderzenia hydraulicznego, musimy modelować przepływ barotropowy, czyli taki, w którym ciecz zmienia swoje właściwości wraz ze zmianą ciśnienia. W takim przypadku założenie nieściśliwości cieczy mija się z celem i nie może być zastosowane. Innymi modelami często spotykanymi w inżynierii chemicznej i procesowej są np. model gazu doskonałego, model gazu nieściśliwego, model płyny nielepkiego itp. Znajdują one zastosowanie w licznych obliczeniach stosowany dla większości gazów i mieszanin gazów dwuatomowych w większości warunków panujących w przemyśle chemicznym. Wracając do symulacji numerycznych – w mechanice, inżynierii chemicznej, termodynamice itp. mamy do czynienia z ośrodkami ciągłymi. Należą do nich wszelkie konstrukcje sztywne, jak i ciecze i gazy. Wyznaczenie interesujących nas parametrów np. temperatury, ciśnienia w dowolnym punkcie cieczy na kartce papieru jest możliwy tylko dla bardzo prostych układów i bardzo prostych modeli. Nie bez powodu pokazany model obliczeniowy został nazwany siatką. Równania matematyczne opisujące przepływ rozwiązywane są w poszczególnych komórkach siatki. Komórki te są bardzo prostymi elementami geometrycznymi, w których rozwiązanie równań jest możliwe. Przeniesienie rozwiązania z jednej komórki na komórki sąsiednie pozwala określić parametry przepływu dla bardziej skomplikowanych geometrii. Dokładność obliczeń jest ściśle powiązana z gęstością komórek w siatce obliczeniowej.

Postprocessing i wizualizacja

Po całym procesie modelowania i obliczeń przychodzi czas na opracowanie uzyskanych wyników. I tu pojawia się pierwsza pułapka dla niedoświadczonych inżynierów. W większości przypadków spotykanych w przemyśle wyniki będą ogromną ilością plików z ogromną ilością danych. Początkujący w dziedzinie CFD inżynier potrafi zapełnić dysk 1TB przy pierwszej analizie. Dlatego ważne jest, aby wiedzieć z czym mamy do czynienia oraz co chcemy uzyskać.

Literatura
[1] http://www.claymath.org/millenium-problems/navier-stokes-equation

Więcej przeczytacie w magazynie Chemia Przemysłowa 6/2014