Mielivaltaisista polyedreista muodostetut CFD-laskentahilat
Kettunen, Simo (2017)
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201702141559
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201702141559
Tiivistelmä
CFD-laskenta eli numeerinen virtausdynamiikka on koko ajan entistä käytetympi menetelmä ratkoa nesteiden ja kaasujen virtaukseen liittyviä ongelmia, sillä se tarjoaa monia etuja perinteisiin fyysisiin koelaitteistoihin verrattuna. Usein on kannattavampaa suorittaa simulointi tietokoneella, jolloin vältytään suurien ja kalliiden koelaitteistojen rakentamiselta. Kuitenkin monimutkaisille systeemeille soveltuvan laadukkaan laskentahilan luominen on vaikeaa. Säännöllisen ja rakenteellisen laskentahilan luominen jo vähänkin monimutkaisempaan laskentamalliin on erittäin vaikeaa ja usein jopa mahdotonta. Rakenteettoman tetraedreista koostuvan laskentahilan luominen puolestaan on mahdollista automaattisilla hilageneraattoreilla, mutta tetraedrihilan tarkkuus on huonompaa heksaedrihiloihin verrattuna. Mielivaltaisista polyedreista koostuvat laskentahilat ovat yksi mahdollinen ratkaisu tähän ongelmaan, mutta kyseinen laskentahilatyyppi ei ole vielä saanut merkittävää jalansijaa CFD-laskennassa.
Tässä kandidaatintyössä tehtiin kirjallisuuskatsaus CFD-laskentaan painottuen erityisesti laskentahiloihin ja esiteltiin polyedreja hyödyntäviä CFD-laskentaohjelmistoja. Lisäksi tässä työssä tehtiin MATLABilla polyedrihilageneraattori, joka luo polyedrihilan suhteellisen yksinkertaisille geometrioille syötteenä annettavan tetraedrihilan perusteella. Lopuksi tehtiin vertailua tetraedrihilojen ja tässä työssä tehdyllä polyedrihilagenerattorilla luotujen polyedrihilojen välillä. Simuloinnit tehtiin kolmella eri hilatiheydellä kummallekin hilatyypille.
CFD-laskennassa tutkittiin laskentatuloksen konvergoitumista, laskennan tarkkuutta sekä ajan ja muistin käyttöä. Polyedrihilat menestyivät samoilla hilatiheyksillä paremmin lähes kaikilla osa-alueilla muistin käyttöä lukuun ottamatta. Erot ovat vielä suuremmat polyedrihilojen hyväksi jos otetaan huomioon se, ettei polyedrihila tarvitse yhtä paljon laskentakoppeja kuin tetraedrihila vastaavan laskentatarkkuuden saavuttamiseksi.
Tässä kandidaatintyössä tehtiin kirjallisuuskatsaus CFD-laskentaan painottuen erityisesti laskentahiloihin ja esiteltiin polyedreja hyödyntäviä CFD-laskentaohjelmistoja. Lisäksi tässä työssä tehtiin MATLABilla polyedrihilageneraattori, joka luo polyedrihilan suhteellisen yksinkertaisille geometrioille syötteenä annettavan tetraedrihilan perusteella. Lopuksi tehtiin vertailua tetraedrihilojen ja tässä työssä tehdyllä polyedrihilagenerattorilla luotujen polyedrihilojen välillä. Simuloinnit tehtiin kolmella eri hilatiheydellä kummallekin hilatyypille.
CFD-laskennassa tutkittiin laskentatuloksen konvergoitumista, laskennan tarkkuutta sekä ajan ja muistin käyttöä. Polyedrihilat menestyivät samoilla hilatiheyksillä paremmin lähes kaikilla osa-alueilla muistin käyttöä lukuun ottamatta. Erot ovat vielä suuremmat polyedrihilojen hyväksi jos otetaan huomioon se, ettei polyedrihila tarvitse yhtä paljon laskentakoppeja kuin tetraedrihila vastaavan laskentatarkkuuden saavuttamiseksi.