Jednym z najbardziej intrygujących naszych klientów pytań jest to, ile kosztuje wykonanie symulacji CFD. Odpowiedź na to pytanie, jak w wielu innych przypadkach brzmi „to zależy”. W niniejszym artykule postaramy się znaleźć na nie odpowiedź, przybliżyć elementy, które istotnie wpływają na koszt symulacji CFD oraz opowiedzieć, jakie są sposoby redukcji ceny.
Credits: Andreea Zaharia
Co składa się na ostateczny koszt symulacji CFD?
Czynników jest wiele, ale warto pamiętać o tym, że wartość projektu jest zazwyczaj proporcjonalna do czasu jaki inżynier musi poświęcić na wykonanie poszczególnych kroków wymaganych do przeprowadzenia symulacji CFD. Na ostateczna cenę symulacji ma również wpływ opłata za licencję oprogramowania, jakie używane jest do wykonywania symulacji (np. Ansys Fluent, Solid Works, Star CCM, itp.). W zależności od złożoności projektu i celu jaki ma być osiągnięty, ceny mogą się wahać względem pierwotnych wskazań nawet 50% w każdą ze stron, co znacznie utrudnia wskazanie dokładnych kwot za dany projekt.
Przejdźmy przez podstawowe kroki jakie należy wykonać w celu wykonania symulacji.
1. Przygotowanie geometrii
Do wykonania symulacji niezbędne jest posiadanie geometrii, która będzie stanowiła domenę obliczeniową. Na tym etapie istnieją dwie możliwości:
- Geometria dostarczona przez klienta
W tym przypadku po otrzymaniu gotowej geometrii praca inżyniera skupia się na dostosowaniu jej do wymagań analizy CFD. Co to oznacza w praktyce? Usuwanie elementów, które nie będą miały istotnego wpływu na przepływ (np. elementy konstrukcyjne, miejsca na aparaturę pomiarową). Ma to na celu przygotowanie geometrii do kolejnego kroku jakim jest nakładanie siatek obliczeniowych na otrzymaną geometrię. Pozostawienie w domenie obliczeniowej, każdego elementu, który nie ma istotnego wpływu na przepływ powoduje konieczność zagęszczenia siatki obliczeniowej wokół takiego elementu, a to z kolei wydłuża czas symulacji. Domena powinna być uproszczona do takiego stopnia, w którym odwzorowanie realnego przepływu zostanie zachowane, a usunięte elementy nie wpłyną na wielkości analizowane w symulacji.
- Stworzenie nowej geometrii
W przypadku, gdy klient nie jest w stanie przesłać geometrii lub nie posiada takiego modelu jesteśmy w stanie stworzyć taką geometrię samodzielnie, przy użyciu komercyjnego oprogramowania jak np. Solid Works.
Co ciekawe, w niektórych przypadkach stworzenie geometrii od podstaw może zająć mniej czasu niż upraszczanie skomplikowanych złożeń jakie dostajemy. Wybranie takiego sposobu pozwala na szybkie stworzenie geometrii, która nie zawiera zbędnych detali oraz ułatwia dalsze modyfikacje w przyszłości. Przed przystąpieniem do pracy nad jednym z powyższych wariantów warto jest rozpatrzeć taką możliwość.
2. Nałożenie siatek obliczeniowych.
Etap ten wymaga nałożenia siatki obliczeniowej na stworzoną domenę, która pozwala na podzielenie całej geometrii na mniejsze komórki obliczeniowe, w których będą przeprowadzane obliczenia przepływu. Zasady tworzenia siatek obliczeniowych to trudny temat, który zasługuje na osobny artykuł. W dużym skrócie należy podzielić naszą geometrię na dostatecznie dużą liczbę elementów, tak aby odzwierciedlić istotne zjawiska przepływu takie jak warstwa przyścienna, miejscowe zakłócenia przepływu lub wysokie gradienty prędkości czy ciśnienia.
3. Ustawienie parametrów symulacji
Na tym etapie nadajemy warunki brzegowe symulacji i dobieramy modele matematyczne. Następnie decydujemy, czy symulacja będzie prowadzona w stanie ustalonym czy niestacjonarnym. Symulacje stacjonarne pozwalają poznać warunki pracy w stanie ciągłym, jednak dla niektórych zagadnień konieczne jest wykonanie symulacji niestacjonarnych (czyli takich, które pokazują zmienność parametrów przepływu w czasie). Czas trwania takich symulacji jest kilkukrotnie dłuższy niż czas symulacji stacjonarnych. Różnica ta wynika z konieczności wykonania tych samych obliczeń dla kolejnych kroków czasowych.
4. Obróbka wyników
Po zakończeniu symulacji należy wybrać odpowiednią formę przedstawienia wyników oraz ich zestawienia. Otrzymane wyniki należy opisać w formie raportu oraz poddać krytycznej analizie. Ma ona na celu sprawdzenie czy otrzymane wyniki są zbliżone do realnych wartości i możliwe do osiągnięcia w rzeczywistości.
Finalną częścią raportu jest analiza punktów krytycznych oraz wyznaczenie dalszych kroków do rozwoju.
Jak obniżyć koszt symulacji CFD?
Sposobów jest kilka. Dla klientów ważne jest, aby otrzymać jak najdokładniejsze wyniki w atrakcyjnej dla nich cenie. Zdarza się jednak, że konieczność wykonania serii symulacji dla różnych wariantów powoduje sumaryczny koszt zaczyna znacząco rosnąć. Jak można obniżyć tę wartość, ale jednocześnie otrzymując równe jakościowo wyniki przedstawiamy poniżej.
1. Powtarzające się warianty.
Scenariusz ten występuje najczęściej w przypadku symulacji układu wentylacji w budynkach. W takim przypadku często do analizy wyznaczanych jest kilka pomieszczeń. Niektóre z nich są identyczne, co pozwala na wykonanie analiz tylko w części z nich, ponieważ dla kolejnych wariantów wyniki będą identyczne.
2. Zlecanie wielu przypadków w jednym zamówieniu
Ten sposób pozwala na zrównoleglenie prac inżyniera pracującego nad projektem. Jeżeli planujemy wykonać np. 7 symulacji, to rozdział projektu na 3+4 warianty sumarycznie zajmuje więcej czasu niż wykonanie wszystkich wariantów za jednym razem. Analiza większej liczby przypadków pozwala na równoległe wykonywanie zadań, które zostały opisane powyżej, np. w trakcie oczekiwania na wyniki jednej symulacji wykonywany jest postprocesing wyników w poprzedniej lub uzupełniany jest raport końcowy.
3. Obliczenia analityczne
Jeżeli symulacje wykorzystywane są do wyznaczenia np. optymalnych parametrów pracy układu chłodzącego warto wykonać obliczenia analityczne przed rozpoczęciem analiz CFD. Pozwolą one zawęzić zakres wartości, dla którego będziemy dokonywali zmian. Nasi inżynierowie są w stanie wyznaczyć przybliżone parametry a następnie, na podstawie wykonanych obliczeń przenoszą je do programu symulacyjnego.
Co ciekawe w niektórych przypadkach można się ograniczyć wyłącznie do obliczeń analitycznych.
4. Stworzenie dedykowanej aplikacji
W przypadkach, gdy żadne z powyższych sposobów nie dają zadowalających efektów warto jest rozważyć stworzenie dedykowanej aplikacji. Jest to rozwiązanie szczególnie polecane w przypadku wykonywania kilkudziesięciu analiz w roku, które będą dotyczyły określonego obszaru/produktu. W QuickerSim mamy doświadczenie w wykonywaniu tego typu aplikacji dla przemysłu motoryzacyjnego, wentylacyjnego, tworzyw sztucznych oraz wielu innych.
Co charakteryzuje symulacje wykonywane przy pomocy dedykowanej aplikacji?
- Prosta obsługa – użytkownik takiej aplikacji nie musi posiadać specjalistycznej wiedzy z dziedziny mechaniki płynów, ponieważ większość kluczowych zagadnień jest implementowana przez QuickerSim, tak aby model dobierał kluczowe elementy automatycznie
- Szybkość – wyniki symulacji otrzymywane są w znacznie krótszym czasie niż przy wykorzystaniu konwencjonalnego oprogramowania, zachowując jednocześnie dokładność obliczeń.
- Koszt eksploatacji – powstała aplikacja jest własnością klienta i nie wymaga opłacania corocznej licencji ani ponoszenia dodatkowych kosztów obsługi. Całkowity koszt aplikacji jest porównywalny z cenami kilku licencji komercyjnego oprogramowania.
- Możliwość rozwijania modeli – stworzona aplikacja może być rozwijana i udoskonalana. Podejmowanie prac rozwojowych pozwoli na poszerzenie zakresu obliczeń możliwych do wykonania za jej pomocą lub skróci czas potrzebny do otrzymania wyników.
Przykładowa wycena symulacji:
Analiza ma na celu sprawdzenie przepływu powietrza dla projektowanego układu klimatyzacji HVAC, z analizy chcemy otrzymać rozkład temperatur wewnątrz pomieszczeń, analizę prędkości w miejscach przebywania pracowników.
Geometria nie jest nam dostarczona przez klienta, posiadamy jedynie plan budynku, geometrię tworzymy sami.
Do przeanalizowania są 4 pomieszczenia oraz 3 wartości temperatury zewnętrznej dla każdego z nich.
Daje to w sumie 12 symulacji do wykonania.
Dwa z wybranych pomieszczeń posiadają jednakowe wymiary oraz rozkład otworów wentylacyjnych. Pozwala to zna zredukowanie liczby pojedynczych analiz do 9, ponieważ jak opisano wcześniej wyniki dla dwóch pomieszczeń będą identyczne.
Procedura przygotowania analizy wygląda następująco:
- Tworzymy geometrię 3 pokoi wraz z systemem wentylacyjnym
- Na stworzoną geometrię nakładamy siatkę obliczeniową
- Wybieramy odpowiednie modele obliczeniowe, ustawiamy warunki brzegowe i pozostałe
- Wykonujemy symulację
- Następnie obrabiamy otrzymane wyniki oraz poddajemy je krytycznej analizie.
- Tworzymy raport zawierający wyniki symulacji oraz sugestii dotyczących potencjalnych usprawnień.
W tego typu zleceniach zazwyczaj przedstawiamy podział na koszt poszczególnych wariantów. Głównym kosztem powyższej analizy będzie wykonanie pierwszej symulacji. Stworzony model jest często poprawiany oraz weryfikowany pod kątem oceny jakości otrzymywanych wyników. Efektem tego jest konieczność wykonania dodatkowych analiz sprawdzających.
Każda kolejna symulacja to już inny przypadek, którego koszt jest znacznie niższy niż pierwszej, bazowej.
Symulacja nowego pomieszczenia, dla którego musimy stworzyć nową geometrię i wykonać ponownie zadania opisane w punktach 1-5. To koszt około połowa kosztu pierwszej symulacji .
Sprawdzenie już stworzonych geometrii z nałożonymi siatkami oraz sprawdzonym modelem obliczeniowym wiąże się jedynie z przejściem przez punkty 3-5 oraz kosztem około 10% wartości pierwszej symulacji.
Jaki jest więc koszt analizy wyżej opisanego przypadku?
Tego typu pełnej analizy to koszt 18 000 zł – 23 000 zł.
Jak już wspominano wyżej jest to jedynie orientacyjna wycena dla określonego przypadku i danego rodzaju pomieszczeń, a ostateczny koszt symulacji CFD może się różnić nawet o 50% w zależności od skomplikowania projektu. Do każdego z projektów przygotowujemy indywidualną wycenę. Jako zespół staramy się zaproponować rozwiązanie, które będzie jak najlepiej dopasowane do budżetu klienta oraz będzie wnosiło jak największą wartość merytoryczną.