Symulacje komputerowe CFD – wstęp

Czym są komputerowe symulacje CFD?

Początki symulacji komputerowych CFD datuje się na lata 80. ubiegłego wieku. Wtedy powstały pierwsze modele i pakiety oprogramowania zdolne w poskromić mechanikę płynów.

Obecnie, dzięki pracy wielu instytutów naukowych (np. National Institute of Standards and Technology (NIST) czy Fire Safety Engineering Group (FSEG)) dysponujemy oprogramowaniem, które w pewnym przybliżeniu pozwala nam przewidzieć zachowanie złożonych procesów chemicznych i fizycznych.

Posiadając odpowiednią moc obliczeniową uzyskaną dzięki użyciu bardzo wydajnych komputerów możemy przenieść projektowanie urządzeń i systemów przeciwpożarowych na wyższy poziom.

Podstawa teoretyczna

CFD czyli obliczeniowa dynamika płynów to gałąź mechaniki płynów (pamiętajmy, że płyny to nie tylko ciecze – to również gazy i inne formy materii), która wykorzystuje metody numeryczne (działania na liczbach) do rozwiązywania problemów związanych z między innymi przepływami płynów i przenoszeniu ciepła.

Komputery są używane do wykonywania obliczeń (m.in. zestawu równań opisujących zasadę zachowania pędu dla poruszającego się płynu czyli równania Naviera-Stokesa (będące jednymi z siedmiu problemów milenijnych matematyki)) wymaganych do symulacji przepływu swobodnego strumienia płynu oraz interakcji płynu (cieczy i gazów) z powierzchniami określonymi przez warunki brzegowe.

Brzmi skomplikowanie, ale wyniki są tego warte. Symulacje pozwalają nam na przewidywanie takich parametrów zmieniających się w czasie jak: temperatura, zasięg widzialności, przebieg reakcji chemicznych. Dysponujemy również oprogramowaniem do wizualizacji wyników.

Oprogramowanie

Ogólnego przeznaczenia

Z racji tego, iż symulacje CFD znajdują zastosowanie w różnorakich dziedzinach nauki i przemysłu powstało wiele pakietów oprogramowania. Najbardziej znane są:

• Ansys Fluent
• OpenFoam (na uwagę zasługuje fakt, że pakiet ten jest darmowy i rozwijany na zasadzie open-source)
• Autodesk CFD

Do zastosowań w branży przeciwpożarowej

Specjaliści, projektanci urządzeń i systemów przeciwpożarowych mogą dopasować używane przez nich oprogramowanie do własnych potrzeb. Mają do wyboru kod i narzędzia:

• Fire Dynamics Simulator (FDS) – używany i rekomendowany przez naszych specjalistów
  • Smokeview – program do wizualizacji wyników symulacji, pozwalający na widok i eksport nałożonych na model wielu parametrów
  • Pyrosim – program będący nakładką graficzną na kod FDS przyspieszający proces przygotowania modelu i symulacji
• Smartfire
• Jasmine

Sprzęt (hardware) używany do symulacji CFD

Z racji złożoności i mnogości wykonywanych operacji zmiennoprzecinkowych (floating point) do szybkiego wykonywania symulacji komputerowych jest wymagana duża moc obliczeniowa. Istnieje kilka sposobów na jej osiągnięcie.

Pojedynczy PC

Najbardziej standardowa i oczywista opcja.

Połączenie jednego procesora (CPU) z dużą ilością rdzeni fizycznych (rdzenie wirtualne dzięki np. hyper-threadingu nie grają dużej roli). Procesory konsumenckie mogą nie być wystarczające, więc stosuje się najczęściej serie serwerowe lub profesjonalne takie jak Intel Xeon, AMD Threadripper lub nawet AMD EPYC (które jest szczególnie promowane do działań na polu CFD).

Do kompletu należy zaopatrzyć się w szybkie, z potencjałem do podkręcania (over-clocking) pamięci RAM. Uznaje się, że ilość powinna wynosić RAM (GB) = 2 x rdzenie fizyczne CPU. Chcąc ustrzec się nawet najmniejszych błędów warto pomyśleć nad kośćmi RAM wyposażonymi w system kodowania korekcyjnego ECC (error correction code).

Reszta komponentów takie jak płyta główna, dysk, zasilacz nie jest aż tak istotna. Nie mogą jednak być wąskich gardłem dla pozostałych (bottleneck). Karta graficzna (GPU) nie jest wykorzystywana w CFD z uwagi na specyfikę wykonywanych obliczeń.

Klaster obliczeniowy HPC

Najprościej mówiąc – to pewna ilość komputerów połączone w jeden, które pracują jednocześnie.

Komputery, które znajdują się klastrze nazywamy węzłami (node) Najczęściej używa się klastrów Beowulf, gdzie rolę węzłów pełnią wydajne PC z Linuxem oraz z zainstalowanym oprogramowaniem pozwalającym uzyskać równoległą pracę (np. MPI wspierane przez FDS)

Jest to rozwiązanie bardzo wydajne, łatwo skalowalne. Musimy jednak pamiętać o fakcie, że każdy węzeł pracuje i potrzebuje do tego warunków. Grupa węzłów zajmuje dużo miejsca, wydziela dużo ciepła i pobiera prąd.

Chmura obliczeniowa

Azure, Google Cloud, AWS – to tylko kilka przykładów dostępnych na rynku chmur obliczeniowych. Zdobywają ogromną popularność – nie bez powodu.

Dzięki użyciu takiej usługi zdobywamy łatwy, natychmiastowy dostęp do całej gamy komputerów. Od pospolitych do super-wydajnych. Nie musimy się martwić o dostępność i “wyczerpanie” zasobów.

Dużą zaletą jest to, że płacimy tylko za pracę. Maszyna wirtualna w bezczynności nie nalicza kosztów.

Cloud-computing staje się coraz popularniejszy za granicą. Firma Holmes Fire (zajmująca się symulacjami CFD używając FDS) dzięki współpracy z Microsoftem i użyciu Azure przyspieszyła wykonywanie symulacji modelu z 336 godzin do zaledwie 56 godzin! (źródło)

Zastosowanie symulacji komputerowych CFD w branży ppoż.

Symulacji CFD używa się między innymi do

• Sprawdzenia poprawności działania i wydajności systemu oddymiania grawitacyjnego klatek schodowych
• Sprawdzenia poprawności działania i wydajności systemu oddymiania mechanicznego klatek schodowych
• Sprawdzenia poprawności działania i wydajności systemu oddymiania strumieniowego w garażach podziemnych.

Pełna oferta wykonywania symulacji CFD już wkrótce pojawi się na naszej stronie internetowej.

Ogólna procedura

Przeprowadzenie symulacji to zaledwie ułamek wykonywanych przez nas czynności. Każda składowa procesu jest ważna i waży na końcowy raport, który również musi być odpowiedni sporządzony. Cały czas posiłkujemy się pracami naukowymi, wytycznymi CNBOP i normami obowiązującymi na całym świecie.

Poszczególne kroki:

• Stworzenie cyfrowego modelu obiektu i dobranie odpowiedniej siatki obliczeniowej
• Określenie parametrów warunków brzegowych
• Zaplanowanie scenariusza symulacji
• Przeprowadzenie symulacji
• Walidacja (czy symulacja przeprowadzana jest w sposób prawidłowy) i weryfikacja (czy symulacja jest prawidłowa) wyników
• Tworzenie raportu

Związek z próbami z ciepłym dymem

Aby sprawdzić czy przeprowadzana symulacja pokrywa się z rzeczywistą sytuacją najczęściej wykorzystuje się próby z ciepłym dymem, które szerzej opisujemy w odrębnym artykule – sprawdź.