Virtauslaskennalla merkittäviä kustannussäästöjä

14.10.2019 Protacon Blogi

Virtauslaskentaa sovelletaan eri teollisuuden aloilla, kuten energia-, prosessi-, lääke- ja laivateollisuudessa.

Computational Fluid Dynamics (CFD) eli numeerinen virtausdynamiikka on nesteiden ja kaasujen käyttäytymisen mallintamista ja laskemista numeerisesti. Virtauslaskenta on erityisen käyttökelpoinen, kun halutaan ymmärtää syvällisemmin tapahtuvaa ilmiötä, kuten lämmön siirtymistä komponentista toiseen. Virtauslaskentaa sovelletaan eri teollisuuden aloilla, kuten prosessi-, energia-, lääke- ja laivateollisuudessa sekä esimerkiksi palvelinkeskuksissa, vaativassa LVI-suunnittelussa ja kaupunkisuunnittelussa.

Virtauslaskenta voidaan yhdistää esimerkiksi lujuuslaskennan FEM-analyyseihin ja mallintaa kokonaisuutta helposti ymmärrettävänä 3D-simulaationa. CFD- ja FEM-laskentojen avulla ongelmat voidaan paikallistaa virtuaalisesti ja mallin pohjalta löytää oikeat ratkaisut ongelmien selvittämiseksi ilman tuotantokatkoja.

Virtaus- ja lujuuslaskennan tuomat edut tuotekehityksessä ja ongelmien ratkaisemisessa ovat kiistattomia. Luotettavaa dataa voidaan saada  jo hyvin varhaisessa vaiheessa ja käytännössä kaikkia virtaustilanteita voidaan laskea ja simuloida. 

Tutkittavia ilmiöitä voivat olla esimerkiksi:

  • Lämmönsiirto
  • Jäähdytys
  • Painehäviöt
  • Virtaushäiriöt
  • Sekoittuminen
  • Pyörivät laitteet
  • Melu
  • Vaarojen arvioinnit
  • Tuulikuormat
  • Ilmanvaihto

Lämpösäteilyn mallintaminen on yksi yleisimmistä virtauslaskennan käyttökohteista. Myös tuotekehityksessä virtauslaskentaa käytetään paljon, koska parempi ymmärrys virtausilmiöistä vähentää prototyyppien tarvetta ja testauksesta selvitään vain muutamalla eri vaihtoehdolla.

Mitä hyötyä virtauslaskennasta on ja milloin CFD-simulointia kannattaa käyttää suunnittelussa?

Tyypillisesti virtauslaskentaa kannattaa käyttää, kun kokeellinen testaus on haastavaa, kallista tai jopa mahdotonta. Fyysiseen testaamiseen verrattuna CFD on nopea ja vaivaton tapa selvittää luotettavasti mahdollisia ongelmatilanteita.   

Virtauksien hallinnalla voidaan parantaa prosessin suorituskykyä ja toimivuutta. Sopivimmat vaihtoehdot voidaan selvittää jo suunnitteluvaiheessa, jolloin mahdollisilta toteutusvaiheen ongelmilta vältytään ja virtauslaskenta maksaa itsensä takaisin jo hyvin aikaisessa vaiheessa. Vaihtoehtoiset suunnitelmat voidaan simuloida ja valita paras vaihtoehto toteutukseen.

Kuvassa esimerkki CFD- ja FEM-analyysien yhdistelmästä.

Merkittävät säästöt räjähdysvaarallisten kaasuseosten suojaseinän rakennuskustannuksiin

Protacon sai asiakkaaltaan toimeksiannon suunnitella suojaseinä, jonka tarkoitus oli ohjata ja rajoittaa räjähdysvaarallisen kaasuseoksen virtausta vuototilanteessa. 

Vaarana oli kaasuseoksen kulkeutuminen viereiseltä putkisillalta junanvaunujen käsittelypaikalle, jossa kivihiilipohjaista tuotetta lämmitetään sähkövastuksilla, joiden pintalämpötila oli noin 400-450 astetta. Suojaseinän mitoitukseen oli hankala määritellä sopivia lähtötietoja – alimitoitettu suojaseinä ei ratkaisisi ongelmaa ja ylimitoitetun suojaseinän kustannukset olisivat merkittävät.

Videolla CFD-simulaatio.

Räjähdysvaarallisten kaasuseosten vuotojen skenaariot mallinnettiin virtauslaskennan ohjelmistolla, joka antoi tilanteeseen selkeän ratkaisumallin ja lähtötiedot suojaseinän suunnittelulle. Höyrystynyt kaasu levisi tuulen mukana ja konsentraatio pieneni ilmaan sekoittuessaan. Virtauslaskennan avulla pystyttiin määrittelemään, että milloin oltiin riskienhallinnan kannalta hyväksyttävällä tasolla ja kuinka suuri suojaseinä tuli rakentaa.  

CFD-mallin perusteella suunnitellun betonisen suojaseinän rakentamiskustannuksissa säästettiin noin 30-40% verrattuna alkuperäiseen kustannusarvioon ja suunnitelmaan, joka oli tehty ilman virtausmallinnusta.

Lue lisää

Protacon Descal Oy – Tekniset palvelut
Konenäkö on älykkään automaation väsymätön silmä
Prosessitekniikan testiympäristön automatisoinnissa ”tee se itse” ei säästä aikaa eikä rahaa

Lassi Jääskeläinen

Kirjoittaja Lassi Jääskeläinen

Vastaan Protaconilla suunnittelupalveluiden myynnistä ja laadunhallinnasta sekä toimin projekteissa projektipäällikkönä. Projekipäällikkönä olen toiminut erilaisissa projekteissa yli 10 vuoden ajan ja ihmisten kanssa yhdessä tekeminen on minusta koko homman suola. Vapaa-ajallani harrastan golfia ja meillä on perheessä kolme koiraa, joiden kanssa liikumme aktiivisesti.