Numeerisen virtauslaskennan luotettavuus ja käytettävyys

Abstract

Tässä kandidaatintyössä tehdään nykytila-analyysi numeeriselle virtauslaskennalle eli CFD:lle (computational fluid dynamics). Pääpaino työssä on numeerisen virtauslaskennan luotettavuuden ja siihen vaikuttavien tekijöiden tutkiminen. Aiheen tutkimiseen käytettiin kirjallisuusselvitystä ja lähteiden hankinnassa käytettiin Tampereen yliopiston kirjaston Andor -järjestelmää.

Työ alkoi numeeriseen virtauslaskentaan tutustumisella. Aluksi siis selvitetään, mitä numeerisen virtauslaskennan käyttö käytännössä on, ja selvitetään mitä virtauslaskennassa käytettävä perusteoria pitää sisällään. Työssä esitellään joitakin numeerisen virtauslaskennan ohjelmistoja ja yleisimpiä virtausmalleja.

Numeerisen virtauslaskennan luotettavuutta tarkastellaan yleisimpien epävarmuustekijöiden näkökulmasta ja kahdelle yleiselle virtausmallille tehdään tarkempi tarkastelu niiden epävarmuustekijöistä. Yleisimpiä epävarmuustekijöitä olivat virtausongelman määrittely, laskentaverkosto, lähtötiedot ja rajaehdot sekä virtausmallin varmennus ja tulosten validointi. Virtausmallit, joiden luotettavuutta tarkastellaan erikseen, ovat Reynoldin keskiarvotettu Navierin–Stokesin yhtälö -malli ja Suurten pyörteiden simulaatio -malli.

Lopuksi eri epävarmuustekijät ja niiden yleisimmät virhelähteet on koottu taulukoksi, josta tarkastellaan epävarmuustekijöiden ja yleisimpien virhelähteiden yhteyksiä. Eri lähteiden luettelemista CFD:n hyödyistä ja sovelluskohteista tehtiin myös taulukko, josta tehdään erilaisia päätelmiä. Johtopäätelmissä on vielä koottu koko työn ajatukset yhteen sekä pohdittu, onko numeerisella virtauslaskennalla käyttöä tulevaisuudessa. Työn perusteella voidaan sanoa, että CFD:llä on paljon epävarmuustekijöitä. Ne ottamalla kunnolla huomioon, on CFD:n käytöllä paljon käyttömahdollisuuksia. Esimerkkejä näistä käyttömahdollisuuksista ovat suunnitelmien testaus ja optimointi. Tietokoneiden laskentatehon kasvaessa myös CFD-ohjelmistot parantuvat ja nopeutuvat, joten CFD:n tulevaisuus näyttää valoisalta.