I 10 migliori software di analisi CFD per lo sviluppo di prodotti avanzati

L'analisi CFD consente agli ingegneri di visualizzare, testare e analizzare i progetti dei loro prodotti per problemi relativi a flusso di fluido, trasferimento di calore, turbolenza, materiali non newtoniani e così via.

La tecnologia ha reso facile per le organizzazioni e gli ingegneri calcolare virtualmente la loro efficienza di progettazione in qualsiasi momento e in qualsiasi condizione. Di conseguenza, consente di risparmiare tempo, fatica e denaro.

Ma il processo non era così semplice prima. I costosi test fisici erano l'unico mezzo per risolvere problemi pratici prima che la simulazione o l'analisi CFD entrassero in scena. Ha comportato test rigorosi utilizzando prototipi con molti richiami e guasti.

Oltre ai test, è necessario risolvere rapidamente i problemi per portare il progetto in produzione. Il software di analisi CFD ti aiuta in questo, ed è di questo che parlerò in questo articolo.

Quindi iniziamo.

Cos'è il CFD?

La fluidodinamica computazionale (CFD) è una parte della meccanica dei fluidi che utilizza strutture dati e calcoli numerici per analizzare e risolvere problemi di flusso di fluidi (gas e liquidi) come composizioni chimiche, densità e velocità.

E lo strumento per eseguire l'analisi CFD e risolvere i problemi di flusso dei fluidi è il software CFD. Garantisce che i migliori concetti di flusso vengano utilizzati fin dalle prime fasi della progettazione del prodotto per consentire ai componenti di funzionare in modo efficiente in varie condizioni.

CFD semplifica l'analisi di complessi problemi di flusso del fluido che coinvolgono interazioni liquido-gas, fluido-solido o fluido-fluido. Utilizza solutori avanzati per trasformare le leggi fisiche da equazioni differenziali alle derivate parziali in equazioni algebriche e risolverle in modo efficiente.

Ingegneri e analisti utilizzano i computer per eseguire questi calcoli per simulare il fluido che scorre liberamente e la sua interazione con le superfici. Utilizzando computer sofisticati o supercomputer, è possibile ottenere soluzioni accurate ad alta velocità, anche per le problematiche più complesse.

CFD è utilizzato in vari settori, come ad esempio:

• Ingegneria aerospaziale per simulare l'aerodinamica di aeromobili, flusso turbolento/laminare, flusso comprimibile/incomprimibile, progettazione di profili alari, macchine rotanti, ecc.
• Produzione elettronica come simulazione della batteria, raffreddamento e altro
• Riscaldamento, ventilazione e aria condizionata (HVAC)
• Automobili per simulare l'aerodinamica di parti di automobili, tubi e valvole
• Prevenzione cavitazione
• Attrezzature sportive e molto altro

Come funziona l'analisi CFD?

In generale, l'analisi CFD prevede tre fasi principali:

Pre-elaborazione: questo è quando il problema del flusso del fluido si trasforma in un modello di computer discreto e ideale. Ingegneri e analisti fanno alcune ipotesi basate sul tipo di flusso, come comprimibile, incomprimibile, stazionario, transitorio, viscoso, non viscoso, ecc. Creano anche una mesh e applicano condizioni al contorno sulle superfici interagenti.

Risoluzione: l' analisi CFD utilizza potenti solutori che eseguono calcoli effettivi sui problemi o sulle equazioni del flusso del fluido e forniscono soluzioni accurate e veloci.

Post-elaborazione: gli analisti visualizzano e analizzano i risultati nella fase finale per concludere sotto forma di tabelle, grafici, immagini in movimento, ecc.

Quali sono i vantaggi dell'analisi CFD?

L'analisi CFD è vantaggiosa per lo sviluppo del prodotto in molti modi:

#1. Efficienza

L'analisi e la risoluzione di equazioni complesse richiederebbe molto tempo se eseguita manualmente tramite test e calcoli convenzionali. Ma il software di analisi CFD può risolvere complesse equazioni del flusso di fluidi con alta velocità e precisione, facendoti risparmiare tempo e fatica.

#2. Più flessibilità

È possibile misurare quantità limitate alla volta tramite mezzi manuali. Tuttavia, l'analisi CFD ti consente di misurare tutte le quantità fisiche che desideri contemporaneamente con risoluzioni elevate grazie all'eccezionale potenza di calcolo. Aiuta a spostare rapidamente il progetto verso i test fisici e la produzione.

#3. Feedback pratico

Gli ingegneri possono creare progetti e testare l'efficienza prima della costruzione con l'aiuto dell'analisi CFD. Ti consente di modificare facilmente la forma, la struttura, le dimensioni, la scala, ecc. del tuo modello nel software e finalizzare quello più efficiente.

#4. Esperienza nel mondo reale

La simulazione include vari fenomeni e condizioni del mondo reale come il movimento del vento, la gravità, la velocità della luce, ecc. Quindi, puoi generare condizioni ambientali e testare i tuoi progetti rispetto a tali condizioni per comprenderne le prestazioni e il comportamento.

Ora, diamo un'occhiata ad alcuni dei migliori strumenti di analisi CFD sul mercato.

Autodesk CFD

Autodesk CFD è un ottimo software di simulazione CFD per analisti e ingegneri per prevedere il flusso e il comportamento di gas e liquidi in modo intelligente. Aiuta a ridurre al minimo i requisiti per i diversi prototipi fisici per ottenere informazioni approfondite su un flusso di fluido per le prestazioni di progettazione.

Ottieni molte funzionalità in questo software CFD e strumenti di simulazione termica che funzionano con le massime prestazioni. L'utilizzo dello strumento consente di confrontare i progetti per comprendere il comportamento fluido al loro interno prima di passare alla produzione. Inoltre, puoi migliorare la distribuzione della pressione per le applicazioni di controllo del flusso e risolvere equazioni per tutti i modelli di trasferimento di calore, da solido-solido o solido-fluido.

Autodesk CFD ti consente di collegarlo a Fusion 360 per abilitare la modifica e la semplificazione CAD. Puoi anche utilizzare l'automazione e la geometria della mesh per il dimensionamento della mesh, eseguire analisi multiple su server HPC, remoti o localmente per risolvere modelli di grandi dimensioni con flessibilità.

Il software consente di ottimizzare la progettazione per una migliore efficienza dell'edificio per applicazioni MEP e architetturali. Puoi anche simulare un'interfaccia tra gas e liquidi, modellare vari fenomeni di flusso come versamenti, sloshing e onde e sviluppare equazioni personalizzate per ottenere risultati visivi.

Altre funzionalità che puoi trovare su Autodesk CFD sono le connessioni CAD, la simulazione delle prestazioni dei componenti del dissipatore di calore e il tracciamento delle particelle per comprendere meglio le direzioni e le circolazioni del flusso. Consente inoltre la miscelazione scalare, la modellazione delle radiazioni, l'analisi dei dispositivi rotanti e la modellazione della condensa e dell'umidità.

Oltre a questo, anche l'analisi dei carichi di riscaldamento solare e la visibilità del fumo, l'interfaccia utente personalizzabile e pulita, i risultati basati sui dati e lo scripting di automazione tramite un'API sono funzionalità preziose in questo software CFD.

SimScale

Il software CFD di SimScale è basato su cloud e ti consente di testare, convalidare, ottimizzare e iterare i tuoi progetti tramite la simulazione online. Abilita tutti i processi in un browser Web, quindi non è necessario lottare con potenza di calcolo limitata, costi elevati e accessibilità.

Poiché le simulazioni transitorie richiedono più tempo e denaro per produrre risultati accurati, il software CFD di SimScale risolve questo problema. Questo solutore basato su GPU utilizza il metodo Lattice-Boltzmann (LBM) per offrire un'elevata precisione e una velocità senza pari.

Avevano anche collaborato con Numeric Systems GmbH per creare questa funzionalità pronta all'uso utilizzando Pacefish. Di conseguenza, i tempi di simulazione transitori si sono ridotti da giorni e settimane a minuti e ore. Inoltre, il software funziona su più GPU in parallelo e offre tempi di risposta da 20 a 30 volte più brevi rispetto ai processi standard.

SimScale supporta diversi tipi di modelli di turbolenza come Smagorinsky, k-omega SST, Hybrid SST-IDDES e SST-DDES. Poiché la comprimibilità dei fluidi è una considerazione fondamentale, lo strumento supporta simulazioni per fluidi comprimibili e incomprimibili con precisione per aiutarti a progettare e sviluppare prodotti più sicuri e di qualità.

Il software CFD di SimScale può risolvere complesse equazioni del flusso di fluidi con metodi numerici precisi. Quindi, è applicabile per la progettazione di componenti di aeroplani, profili alari, condotti, valvole e altro. Funziona anche per flussi turbolenti e laminari oltre a simulazioni transitorie e stazionarie. Pertanto, è utile per la progettazione di tubi, propagazione del fumo, camere bianche e separatori a ciclone.

Il software offre capacità di simulazione termica, modellazione di flussi multispecie o multifase con l'aiuto del metodo Volume of Fluid (VoF). Utilizza inoltre il solutore OpenFOAM per analizzare due fluidi non miscelanti come acqua e olio, utili per l'ingegneria di processo e le applicazioni marine.

Esegui simulazioni di stato stazionario utilizzando più frame di riferimento (MRF) o condizioni al contorno rotanti insieme a simulazioni transitorie con Arbitrary Mesh Interface (AMI). Puoi anche simulare e valutare il movimento del corpo solido che coinvolge 6 gradi di libertà (DoF), adatto per la costruzione di navi e la progettazione di tubi.

Ansys

Ogni progettista deve aver utilizzato o almeno sentito parlare di Ansys che offre eccellenti strumenti di simulazione CFD per aiutarti a prendere decisioni migliori e più rapide. Le loro simulazioni CFD forniscono risultati accurati e un'elevata potenza di calcolo e sono state convalidate per la loro qualità.

Gli strumenti CFD sono intuitivi e potenti per aiutarti a migliorare la sicurezza e le prestazioni del tuo prodotto riducendo gli sforzi e i tempi di sviluppo. Inoltre, garantiscono errori minimi o nulli e offrono la grande possibilità di innovare e produrre prodotti ottimizzati utilizzando solutori efficienti di livello industriale.

Sia che tu stia cercando modi per eseguire simulazioni di ghiaccio in volo efficaci o massimizzare l'efficienza del motore a combustione interna (IC), Ansys ha gli strumenti per aiutarti. Sono intuitivi e avanzati per farti risparmiare tempo e aiutarti ad aumentare la tua produttività.

Alcuni dei prodotti CFD che offrono sono:

• Ansys Fluent per la modellazione avanzata con elevata precisione
• Ansys CFX per velocità, robustezza e precisione eccezionali nelle applicazioni di turbomacchine
• Ansys Chemkin-Pro è uno strumento CFD premium per la modellazione di sistemi complessi che reagiscono chimicamente

Inoltre, forniscono altri strumenti correlati, come Ansys BladeModeler, Ansys Rocky, Ansys Vista TF, Ansys TurboGrid, Ansys Polyflow, Ansys Model Fuel Library, Ansys FENSAP-ICE, Ansys EnSight e Ansys Forte.

OpenFOAM

Rilasciato nel 2004, OpenFOAM è un software CFD open source e gratuito sviluppato da OpenCFD. Ha una base di utenti significativa in tutto il mondo nella maggior parte delle regioni scientifiche e ingegneristiche, comprese le organizzazioni accademiche e commerciali.

OpenFOAM offre numerose funzionalità applicabili per risolvere flussi di fluidi da semplici a complessi come reazioni chimiche, trasferimento di calore, turbolenza, meccanica dei solidi, elettromagnetismo e acustica. Inoltre, la comunità di sviluppatori di OpenFOAM continua a contribuire al suo sviluppo e include anche sviluppi sponsorizzati dai clienti per rilasciare nuove versioni ogni 6 mesi.

È testato in modo indipendente dagli specialisti delle app di ESI-OpenCFD, da clienti selezionati e da partner di sviluppo. Eseguono test rigorosi sul software per la garanzia della qualità. Il processo di valutazione, convalida e verifica del codice include centinaia di unit test giornalieri.

Modulo CFD

Il software di modellazione CFD di Consol – CFD Module consente di definire modelli e risolverli per studiare sistemi con flusso di fluido. Funziona anche per sistemi che contengono una combinazione di flusso di fluido e fenomeni fisici, il che significa che funziona sia per flussi monofase che multifase.

CFD Module offre strumenti per modellare i capisaldi di diverse analisi del flusso di fluidi, come ad esempio:

• Flussi comprimibili e incomprimibili
• Flussi turbolenti e laminari
• Flusso in mezzi liberi o porosi e aree aperte
• Flusso di film sottile

Il software implementa queste funzionalità tramite interfacce di flusso della struttura per definire, analizzare e risolvere problemi di flusso transitorio e stazionario in 3D, 2D e 2D assialsimmetrici. Inoltre, offre funzionalità su misura per risolvere problemi relativi al flusso con un numero di Mach elevato, flussi non newtoniani e macchinari rotanti.

CFD Module può modellare i flussi che reagiscono e coniugare i trasferimenti di calore nello stesso ambiente per consentirti di analizzare i problemi di flusso contemporaneamente. Oltre a questo, offre più capacità multifisiche come l'interazione fluido-struttura, che puoi abilitare combinando il software con altri moduli Comsol.

Simcenter

Analizza e prevedi le prestazioni del prodotto nel mondo reale con l'aiuto del software di simulazione Simcenter CFD di Siemens. Questo strumento di analisi CFD leader del settore offre una simulazione rapida e precisa di vari problemi di ingegneria che coinvolgono fluidi, strutture e fisica correlata.

Che tu sia un progettista, un ingegnere CFD o un ricercatore, il software può aiutarti ad analizzare complessi problemi di flusso dei fluidi e trasformare le conoscenze acquisite nello sviluppo di prodotti innovativi. Può anche simulare facilmente problemi che coinvolgono diverse parti mobili e interagenti utilizzando il morphing della mesh, il meshing overset o una combinazione dei due.

Inoltre, è possibile utilizzare le funzioni di mesh in movimento per simulazioni stazionarie o transitorie e studi parametrici. Ciò fornisce un modo semplice per sostituire o riposizionare un oggetto e studiare diverse configurazioni di design. Il software Simcenter CFD fornisce funzionalità di modellazione lagrangiana ed euleriana per soddisfare con precisione le diverse esigenze di simulazione.

Per non parlare del fatto che questo è il primo simulatore di ingegneria commerciale che include una funzionalità DEM con simulazione numerica del flusso. Ti aiuta ad analizzare come i flussi turbolenti interagiscono con i flussi di reazione per garantire che il prodotto funzioni bene in varie condizioni operative.

Inoltre, ottieni una vasta libreria contenente modelli accurati per prevedere fonti aeroacustiche come modelli di stato stazionario, DES/LES e modelli di propagazione. Puoi anche utilizzare simulazioni della batteria utilizzando specifiche geometriche e prestazioni per convalidare il design della tua batteria agli ioni di litio digitale.

Flowsquare

Un altro software CFD gratuito in questo elenco è Flowsquare, un software CFD bidimensionale per analizzare flussi di fluidi instabili e non reattivi/reattivi insieme a flussi subsonici o supersonici. Offre un ambiente pratico per l'analisi CFD e mira ad avvicinare più persone a questa tecnologia e simulare flussi per alimentare i loro interessi accademici o educativi.

La maggior parte degli strumenti CFD commerciali ha costi elevati e necessita di competenze e risorse computazionali pesanti, non tutti possono utilizzarli, ma Flowsquare è gratuito e progettato per la facilità d'uso. Non richiede competenze in competenze come meshing, programmazione CAD e pre/post-elaborazione. Puoi iniziare disegnando un semplice campo di simulazione utilizzando qualsiasi strumento di disegno come Microsoft Paint.

Imposta il dominio di calcolo utilizzando 1-2 immagini bitmap e un singolo file di testo. Qui puoi eseguire la visualizzazione in tempo reale e salvarla come file Bitmap. Dispone di strumenti di visualizzazione integrati per colori, contorni vettoriali, particelle lagrangiane e grafici.

Flowsquare utilizza condizioni e schemi numerici altamente flessibili e i dati di simulazione sono disponibili in formato binario per la post-elaborazione. È utilizzato in tutto il mondo da individui, aziende e istituti di istruzione per molteplici scopi.

ParaView

ParaView è un software di visualizzazione e analisi dei dati multi-piattaforma e open-source. Ti consente di creare visualizzazioni rapidamente e analizzare i loro dati con l'aiuto di metodi qualitativi e quantitativi.

Le simulazioni CFD di ParaView consentono di studiare sollevamento, trascinamento, flusso d'aria, ecc., per migliorare l'efficienza della progettazione. È anche in grado di analizzare enormi set di dati con risorse di memoria di calcolo distribuite. Inoltre, è possibile eseguire l'esplorazione dei dati in modo interattivo in modo programmatico o in 3D utilizzando le funzionalità di elaborazione batch del software.

Puoi eseguire ParaView su supercomputer e analizzare set di dati su petascala o sul tuo laptop per analizzare dati minori. Questa versatilità lo rende applicabile a diverse industrie, università e laboratori nazionali. Inoltre, ha vinto numerosi premi grazie alla sua elevata capacità di calcolo e prestazioni.

Sfrutta ParaView per il tuo prossimo progetto e beneficia dei loro servizi avanzati e soluzioni di ricerca e sviluppo. Puoi anche unirti al Forum ParaView e rimanere aggiornato sugli ultimi sviluppi. Lo strumento è eccellente per molti casi d'uso, come ad esempio:

• I Climate Data Analysis Tools (CDAT) aiutano gli analisti a monitorare, prevedere e monitorare i cambiamenti climatici.
• Le simulazioni CFD aiutano i team dell'aviazione ad analizzare e studiare il sollevamento e il trascinamento
• Esplorare dati immersivi in ​​modo intuitivo.
• ParaView Catalyst e PHASTA aiutano in una simulazione CFD di controllo del flusso con alta fedeltà per i profili alari.
• Simulazione ALEGRA in una piastra di ceramica utilizzata nella penetrazione del getto di carica sagomato
• Il connettore NVIDIA Omniverse ParaView consente agli scienziati di analizzare i dati climatici e meteorologici in modo interattivo insieme ai loro effetti sulla Terra.

Altair

Sia che tu voglia eseguire una modellazione CFD avanzata o studiare gli effetti termici o fluidi relativi al tuo progetto, Altair può aiutarti con i suoi strumenti estesi. Fornisce diversi solutori scalabili e un potente software CFD di pre e post-elaborazione per testare le prestazioni complete del sistema e analizzare i componenti in dettaglio.

Altair CFD utilizza un solutore Navier-Stokes con capacità di analisi ad ampio raggio per trasferimento di calore, flusso, materiali non newtoniani e turbolenza. Può offrirti una soluzione robusta, accurata e scalabile indipendentemente dalla topologia e dalla qualità degli elementi mesh.

La sua tecnologia avanzata offre energia ottimizzata ed efficienza dei costi con elaborazione basata su GPU per prestazioni elevate. Di conseguenza, puoi simulare modelli complessi su un singolo server e calcolare l'aeroacustica da macchine rotanti come motori elettrici, energie rinnovabili e ventole di raffreddamento.

È possibile utilizzare un flusso di lavoro semplificato e dedicato in Altair HyperWorks con funzionalità di esecuzione, pre-elaborazione e post-elaborazione del risolutore. Inoltre, Altair CFD utilizza anche il metodo Lattice Boltzmann (LBM) per prevedere le proprietà aerodinamiche a velocità fulminea per autovetture, auto da corsa, veicoli pesanti e autocarri leggeri.

Altair utilizza il solutore Smooth Particle Hydrodynamics (SPH) per prevedere i flussi attorno a geometrie complicate in un movimento complesso. Inoltre, il suo strumento Discrete Element Method (DEM) simula e studia accuratamente il comportamento del materiale granulare per carboni, grani, fibre, polveri, ecc.

Puoi calcolare Altair CFD ed EDEM per simulare realisticamente l'interazione di fluidi e particelle e analizzare sistemi complessi come letti fluidizzati, rivestimento a spruzzo, essiccazione, filtrazione e miscelazione solido-liquido. Altri strumenti in questa suite sono Altair FlowSimulator per il trasferimento di calore, il flusso e la progettazione della combustione, SimLab per il raffreddamento dell'elettronica e altro ancora.

LAVORI SOLIDI

Se sei un utente SOLIDWORKS, ti piacerà il software SOLIDWORKS Flow Simulation. Si occupa dei problemi di flusso del fluido utilizzando l'analisi numerica e offre un feedback dinamico per le prestazioni termiche e il flusso del fluido dei tuoi prodotti.

Utilizzando le funzionalità di ottimizzazione parametrica, è possibile automatizzare il processo di analisi e progettazione per trovare la migliore iterazione di progettazione all'interno di un ambiente CAD familiare. Gli strumenti consentono di simulare una diversa varietà di gas e liquidi in diversi scenari.

Le sue applicazioni tipiche sono il flusso attorno ai collettori, il raffreddamento elettronico, gli scambiatori di calore e l'aerodinamica. Ottieni molti strumenti di analisi CFD per l'integrazione FEA, l'analisi del sistema rotante, l'analisi del flusso esterno e interno, il modulo di raffreddamento dell'elettronica, la dinamica della superficie libera, lo studio delle particelle e il modulo HVAC.

Questo software CFD si integra con SOLIDWORKS e utilizza l'interfaccia CAD per l'analisi. Può riconoscere automaticamente il volume del fluido in un progetto a seconda del tipo di analisi e consente di eseguire più scenari CFD e creare modelli di analisi con input e parametri accurati. Puoi anche sfruttare la mesh dinamica con il perfezionamento automatico della mesh per attività ad alta fluidità.

Conclusione

Il software di analisi CFD consente di visualizzare e analizzare i problemi relativi al flusso del fluido, al trasferimento di calore, ecc., nella progettazione del prodotto. È possibile risolvere questi problemi in modo rapido e accurato per consentire una progettazione e uno sviluppo di prodotti più sicuri e di qualità.