Vooroordelen

Tot het eind van de 20e eeuw was CFD een techniek die enkel op academisch niveau werd toegepast, of door grote bedrijven in de luchtvaartindustrie. CFD was destijds een dure en tijdrovende activiteit, aangezien het erg rekenintensief was. De laatste 10 jaar is CFD-software echter sterk doorontwikkeld en worden computers steeds sneller. Door deze ontwikkeling is CFD steeds betrouwbaarder, goedkoper en daarmee toegankelijker voor een breed doelpubliek. Ondanks deze trend blijven er enkele vooroordelen leven.

1. CFD is niet betrouwbaar

De formules achter de CFD-software die gebruikt worden om de stroming uit te rekenen heten de Navier-Stokes vergelijkingen, en deze zijn wetenschappelijk correct. Hier bestaat geen discussie over. Echter, het is niet mogelijk om de Navier-Stokes vergelijkingen analytisch op te lossen. Het is dus noodzakelijk om de vergelijkingen eerst te vereenvoudigen en vervolgens op een iteratieve manier tot een oplossing te komen. Wil je dus een gas- of vloeistofstroming in zijn specifieke omgeving uitrekenen, dan moet je een keuze maken uit verschillende mogelijke vereenvoudigingen van de vergelijkingen. Deze vereenvoudigingen moeten echter passen bij de specifieke toepassing. Om tot een correct resultaat te komen moet de gebruiker ook keuzes maken m.b.t. de modellering van bijv. turbulentie in de stroming. Daarnaast moet hij ook de juiste randvoorwaarden bepalen op elke wand van het rekendomein, en instellen welke numerieke methodes worden gebruikt.

Het resultaat van een CFD-simulatie is dus sterk afhankelijk van de keuzes van de gebruiker, en hier kan het wel eens fout gaan. Soms worden vereenvoudigingen of modellen gekozen om snel tot een oplossing te komen, maar die niet bij het probleem passen. Ook is het mogelijk dat het CFD-model om randvoorwaarden vraagt die in werkelijkheid niet bekend zijn. In zo’n geval moet de gebruiker aannames doen die onzekerheid introduceren.

Als het resultaat van een CFD-berekening niet overeenkomt met de werkelijkheid, dan is dit niet het gevolg van slechte CFD-software, maar wel van de foute instellingen of aannames van de gebruiker.

Hoe meer ervaring de gebruiker heeft in CFD en in de validatie van CFD door vergelijking met experimenten, hoe betrouwbaarder het resultaat van de CFD-berekeningen. 

De uiteindelijke prijs van een CFD-analyse van een product of gebouw is erg afhankelijk van de precieze toepassing, maar varieert tussen EUR 2.000,- voor een eenvoudige 2D analyse tot EUR 20.000,- voor een complexe of tijdsafhankelijke analyse in de procesindustrie of de automotive. Vervolgsimulaties, waarbij ontwerpvarianten of alternatieve randvoorwaarden worden geanalyseerd, zijn in de regel veel goedkoper dan de eerste CFD-simulatie, aangezien het model reeds beschikbaar is en enkel lokaal aangepast moet worden. Een investering in CFD moet natuurlijk in verhouding staan tot de mogelijke besparing die het oplevert. Via CFD-simulaties vermijd je namelijk een duur trial & error proces.

3. Een CFD studie kost veel tijd

Zoals eerder vermeld is CFD een behoorlijk rekenintensief proces. Echter, door de ontwikkeling van steeds snellere computers, en de mogelijkheid om CFD-berekeningen parallel uit te voeren op meerdere processoren, is de doorlooptijd van een gemiddelde CFD-simulatie beperkt tot enkele dagen. Ook hier geldt dat de tijd die de gebruiker nodig heeft voor het opzetten van de simulatie en het nabewerken van de resultaten meer tijd vraagt dan de simulatie op zich.

Het opzetten, uitvoeren en rapporteren van een initiële CFD-simulatie duurt 2 tot 5 weken. Vervolgsimulaties op basis van hetzelfde CFD-model kosten in de regel enkele dagen tijd.

4. Fysieke metingen zijn altijd beter dan simulaties

Fysieke metingen zijn zeker waardevol voor elk ontwikkelingsproject, maar in sommige gevallen zijn metingen erg duur of zelfs niet mogelijk. Fysieke metingen hebben verder het nadeel dat men enkel een meetwaarde bepaalt op de locatie van de meting, en dus niet op plekken in de stroming waar men geen meetpunt heeft. Dit maakt het moeilijk om inzicht te hebben in het totale stroomgebied, of op locaties waar u geen opmerkelijke stroomeffecten verwacht.

Vaak is een combinatie van meten en rekenen optimaal. Bij de analyse van een bestaand product of gebouw, kunnen metingen onzekerheden in de aannames wegnemen of zorgen voor validatie van de simulatie-aanpak. Deze gevalideerde aanpak kan vervolgens gebruikt worden om ontwerpvarianten te analyseren. Bij een onderzoek naar een nieuw gebouw of productidee is meten onmogelijk, en bepaalt de ervaring van de gebruiker met soortgelijke projecten de betrouwbaarheid van de simulatie.

2. CFD is duur

De kosten van een CFD simulatie bestaan uit computer tijd en man-uren.

Kosten computertijd

CFD is een rekenintensief proces, waarvoor een krachtige computer, of zelfs een cluster van computers nodig is om binnen een redelijke termijn tot een resultaat te komen. Echter, computertijd kost vandaag nog zo weinig geld, dat de rekenkost zelden dominant is in de prijsbepaling van een CFD-studie. Enkel wanneer erg complexe en tijdsafhankelijke processen worden geanalyseerd, is de computerkost nog een significant onderdeel van de prijs van een CFD-project.

Man-uren

De prijs van een CFD-project wordt grotendeels bepaald door de tijd die de gebruiker nodig heeft voor:
– het voorbereiden van het CAD-ontwerp
– het opbouwen van het rekenrooster
– het instellen van de CFD-simulatie
– het nabewerken en interpreteren van de resultaten

Deze activiteiten zorgen ervoor dat de simulatieresultaten daadwerkelijk overeenkomen met de werkelijkheid, en dat er waarde wordt gecreëerd voor de gebruiker/klant.

CFD of niet? Vraag naar ons onafhankelijke advies

Dit artikel is bedoeld om meer achtergrond te geven en begrip te creëren over CFD als instrument om gas- en vloeistofstroming te visualiseren/kwantificeren. Met simulaties wordt het effect van de stroming op de omgeving zichtbaar gemaakt. Het is echter erg afhankelijk van de precieze vraagstelling of CFD daadwerkelijk een geschikte tool is, of niet. Wij adviseren u graag op een objectieve manier over de beste aanpak van uw project, met of zonder CFD. Heeft u vragen of wilt u meer weten over dit onderwerp, neem dan vrijblijvend contact met ons op.

Eric Terry

Managing director at Actiflow

Eric is founder and managing director of Actiflow. He has almost 15 years of experience in executing and managing CFD projects. Eric had an education as aerospace engineer (Delft University of Technology), with a master in aerodynamics. Today, he leads a team of 13 engineers using CFD simulations on a daily basis.