Što je to računalna dinamika fluida (CFD) i zašto se probija u sve industrije?

Što je to CFD i zašto se probija u sve industrije, od agronomije do zrakoplovstva?

Kako projektirati ulice da zaštite pješake od vjetra? Trup aviona da stvara manje buke? Mogu li tankeri biti ekonomičniji ako se na njima bolje rasporedi teret? Kako riječne struje utječu na migraciju riba? Na koji način stent savršeno prilagoditi pacijentu?

Ovo su samo neka od brojnih pitanja na koja jasne i jednoznačno odgovore daje sve popularnija disciplina CFD – Computational Fluid Dynamics ili računalna dinamika fluida. Pojednostavljeno, riječ je o braku mehaničkog i računalnog inženjeringa koji omogućava primjenu znanja i iskustava s područja mehanike fluida koristeći kroz izradu modela i simulacija.

Još jednostavnije rečeno, CFD omogućava da se kroz numeričke metode vrlo precizno simulira kompleksni fizički problem, poput onih iz našeg uvoda, pogotovo u situacijama gdje su izrada prototipova ili eksperimentalni pristup preskupi ili jednostavno nemogući. 

Od metode za “velike igrače” do alata dostupnog svima

O ovoj disciplini popričali smo s timom tvrtke In silico, smještene u zagrebačkom Ziceru,  koja se specijalizirala upravo za praktičnu primjenu CFD metoda u industriji. Matej Keser, voditelj projekata i računalno potpomognuti inženjer u In silicu, objasnio nam je zašto se traži sve više (vrlo rijetkih) stručnjaka za CFD:

CFD omogućava da stvorimo simulacije koje su vrlo bliske stvarnosti kako bismo ispitali neki proces ili fenomen. To je posebno bitno u industrijama gdje eksperimentalni pristup nije moguć, siguran ili financijski isplativ. Dobar primjer su, recimo, nuklearna postrojenja, gdje se CFD koristi u analizama sigurnosti nuklearnih reaktora – to je područje u kojem je vrlo riskantno provoditi fizičke pokuse kako biste vidjeli kako će se reaktor ponašati, a da ne pričamo o cijeni kreiranja fizičkih modela ili prototipova.

Drugi primjer je svemirska industrija, objašnjava nam dalje Matej – CFD simulacije mogu se koristiti kako bismo se uvjerili da se neke elektroničke komponente neće pregrijati i prestati raditi, kako bi se optimizirao dotok goriva ili pak hlađenje i grijanje u kabini. To nije autoindustrija u kojoj postoji više od milijardu različitih primjeraka vozila iz kojih možemo dobiti stvarne parametre iz vožnje ili provoditi eksperimente na komponentama koje su široko dostupne jer se tvornički proizvode u velikim količinama. U svemirskoj industriji opcije su ili pretjerano konzervativno dizajnirati komponente, što proizvodnju ionako skupih komponenata čini još skupljom, ili ispitati efikasnost i pouzdanost kroz izradu prototipova i laboratorijska testiranja, što je dug i skup proces. 

Nije onda ni čudno što su ovo jedne od prvih industrija koje su prigrlile CFD, koji sam po sebi nije nova disciplina. Računalno modeliranje dinamike fluida razvija se od početka dvadesetog stoljeća, no izrada simulacija kakve danas koristimo zahtjeva veliku računalnu snagu i memoriju. Tako je razvoj CFD-a i njegova primjena u industriji uvelike je ovisila o razvoju i dostupnosti superračunala. Iako je inicijalno to bio “sport” za lukrativnije industrije i tvrtke koje su mogle ulagati značajne resurse, danas to više nije tako:

Superračunala su danas komoditet koji se lako može zakupiti u vidu procesorskih jezgri kroz određeno vrijeme, primjerice pri riječkoj Bura ili Amazonov AWS-u. Zahvaljujući tome CFD se rapidno proširio u različite discipline i industrije. Agronomija, arhitektura, biologija, farmaceutska i kemijska industrija, medicina… niz bismo doslovce mogli rastegnuti od A do Z s nebrojeno primjena. Sada i manje tvrtke poput naše mogu raditi CFD simulacije, a manje tvrtke i manje lukrativne industrije mogu priuštiti da ih naruče. Jedino ograničenje danas je znanje i stručnost u ovom području. Riječ je o relativno mladoj i kompleksnoj disciplini i stručnjaka je vrlo malo – pogotovo onih koji mogu i samostalno razvijati te implementirati nove numeričke modele.

Optimizacijom procesa do “zelenijih” industrija

Kako je područje primjene CFD-a vrlo široko, tim In silica imao je priliku raditi na različitim projektima, no svima je svrha slična, objasnio nam je Matej:

Do sad smo imali priliku raditi na projektima koji imaju primjenu u agronomiji, farmaceutskoj industriji, brodogradnji, HVAC i drugim projektima. Portfelj je raznolik, no neovisno o kojoj je branši riječ, posao In silica je da putem CFD-a napravi simulacije prema kojima se optimiziraju proizvodi ili procesi.

Optimiziranje procesa i proizvoda možda na prvu zvuči kao vrlo općenit opis posla, no simulacije imaju vrlo konkretne rezultate. Primjerice, projekt Cloud Towing Tank koji In silico razvija koristi računalnu dinamiku fluida kako bi se smanjila potrošnja goriva kod postojećih brodova i onih koji se tek projektiraju.

Pomoću našeg softvera, za određenu geometriju plovila i stanje plovidbe možemo izračunati potrošnju goriva te ostale plovne karakteristike broda. Na temelju tih podataka projektant broda ili operator može promijeniti projekt odnosno operacijske navike kako bi se smanjila potrošnja prilikom eksploatacije. 

Upravo im je taj projekt osigurao mjesto u EIT Climate-KIC akceleratoru, najvećem europskom programu za akceleriranje startupova koji razvijaju rješenja s pozitivnim utjecajem na klimatske uvjete. No kako je projekt koji je usmjeren na jedne od najvećih potrošača fosilnih goriva završio u programu za “zelene” tvrtke?

Kada spomenemo “zelene” tvrtke, ljudi najčešće pomisle na one koje se bave proizvodnjom nekih ekološki prihvatljivih proizvoda za krajnje potrošače, primjerice metalnih slamki umjesto plastičnih. No najveći zagađivači okoliša nisu krajnji korisnici kojima su ti proizvodi namijenjeni nego industrije – kada procese i proizvodnju u njima učinimo efikasnijom, smanjuje se rasipanje resursa i energije…ili fosilnih goriva u ovom slučaju, što ima velik utjecaj na okoliš.

Još jedan projekt na kojem In silico sudjeluje kao posljedicu ima uštedu resursa. CloudiFacturing, veliki europski projekt na kojem sudjeluju brojne tvrtke, čiji je cilj optimizacija proizvodnih procesa i produktivnosti pomoću simulacija na Cloud/HPC (High-Performance Computing) infrastrukturi. Unutar CloudiFacturinga, In silico je zajedno s partnerima Ascaliom i Makabi Agritechom dobio financiranje za razvoj automatiziranog okvira za optimiranje procesa mikroenkapsulacije.

Cilj procesa enkapsulacije, objašnjava nam Matej, je dobiti sferične kapsule određenog promjera. Taj proces dominantno ovisi o ulaznim parametrima stroja koji upravljaju brizganjem te o odabranoj radnoj tvari, a optimalni ulazni parametri dobivaju se najčešće skupim i dugotrajnim eksperimentiranjem za određenu radnu tvar. Pri tome se troše i drugi resursi osim financija i vremena, primjerice, sam materijal koji se treba staviti u kapsulu, kao što su aktivne tvari, kemikalije i slično.

Umjesto toga, mi smo stvorili automatizirani okvir koji koristeći vrlo detaljne CFD simulacije spregnute s neuronskom mrežom i naprednim optimizacijskim metodama, u minimalnom broju evaluacija pronalazi optimalni set parametara procesa enkapsulacije za traženu radnu tvar i traženi promjer mikrokapsula. Za krajnjeg korisnika, to znači da će kroz web-sučelje unijeti fizikalna svojstva radne tvari te traženi promjer, a naše razvijeno rješenje će automatski alocirati potrebne računalne resurse i odraditi potrebne proračune, a korisnik će odmah po završetku primiti email s rezultatima, odnosno s traženim parametrima. Korisnik ovakvim rješenjem preskače skup i dug eksperimentalni dio procesa.

Ovaj projekt ujedno i jasno ilustrira prednosti korištenja CFD simulacija – unatoč svojoj kompleksnosti, traju kraće od eksperimentalnog pristupa, troši se manje resursa, operativno su jednostavnije, financijski isplativije i ne podliježu greškama u mjerenju

Zbog svega toga vrlo je izgledno da ćemo CFD viđati u sve više industrija i istraživačkih projekata.

Pravila ponašanja

Na Netokraciji za vas stvaramo kvalitetan, autorski potpisan sadržaj i zaista se veselimo vašim kvalitetnim, kontruktivnim komentarima. Poštujmo stoga jedni druge prilikom komentiranja držeći se sljedećih pravila ponašanja:

  • Ne budite 💩: Nema vrijeđanja, diskriminiranja, ni psovanja (osim ako nije osobni izričaj, ali onda neka psovka bude općenita, a ne usmjerena prema nekome)
  • Samo kvalitetna rasprava, manje trolanja: Ne morate se ni sa kim slagati, ali budite konstruktivni i doprinesite raspravi! Svako trolanje, flameanje, koliko god "plesalo" na granici, leti van.
  • Imenom i prezimenom, nismo Anonymous 👤: Autor sadržaja stoji iza svog sadržaja, stoga stojite i vi iza svog komentara. Koristimo ime i prezime (Hrvoje Lončar) ili barem ime i inicijala (Hrvoje L.) te pravu email adresu. Kako koristimo podatke koje tamo ostavljate? Bacite oko na našu izjavu o privatnosti.

Sve ostale komentare ćemo s guštom spaliti, jer ne zaslužuju svoje mjesto na internetu.

Odgovori

Tvoja e-mail adresa neće biti objavljena.

Popularno

Kultura 2.0

Dinamo je prvi hrvatski sportski ICO, kupite njihov $DZG token za 2 eura – i uključite se u klupske odluke!

Nakon brojnih drugih velikih klubova hrvatski nogometni prvak odlučio se na iskorak u blockchain svijet kroz novi model članstva. U "inicijalnoj ponudi tokena” od 29. rujna moći ćete postati vlasnik fan tokena Dinama s kojima ćete moći trgovati i sudjelovati u određenim odlukama kluba. Što to znači za kripto dioničare, koja je motivacija kluba za ovaj projekt i tko stoji iza Sociosa istražili smo iz prve ruke.

Intervju

Splitski Blank s partnerima uskoro lansira hrvatski NFT marketplace na Ethereumu!

Uz bok nekolicine renomiranih umjetnika suvremene umjetničke scene, a pod vodstvom splitske agencije Blank, stiže nam Endemic platforma za trgovanje NFT umjetninama. Više o projektu otkrivamo od samih pokretača.

Panel

Kupcima kao nagradu za vjernost više nije dovoljno dati samo bodove i popuste!

Treba to činiti tako da im je program vjernosti razumljiv i jednostavan za korištenje, a nagrade smislene i relevantne. U razgovoru s hrvatskim stručnjacima iz područja dolazimo do konkretnih savjeta.

Što ste propustili

Startupi i poslovanje

AI2FUTURE: “Odgovornost za izgradnju ekosustava prebačena je na tvrtke poput Infobipa i Photomatha”

Unatoč novim nadama koji su pitchali na AI2FUTURE konferenciji, izgradnju AI ekosustava u Hrvatskoj uvelike otežava što sve veći broj domaćih AI stručnjaka radi na daljinu za strane kompanije, a suradnja sa stručnjacima iz akademije je otežana...

Startupi i poslovanje

Odrađen prvi sindikalni štrajk, i hrvatski vozači Ubera nadaju se postati – radnici s pravima

Čekali su svoju isplatu koja dolazi svaki utorak, 12.10. nije pristigla, kasnila je skoro cijeli tjedan, a od Ubera ni riječi. Sinoć, na zajedničkom online pozivu dogovorili su štrajk, a razlozi kriju mnogo dublje probleme...

Video

Ilija Brajković, Kontra: Kako izgraditi digitalnu agenciju koja će trajati (bar) 10 godina

Digitalna agencija Kontra slavi 10 godina, a to je bila prilika da ugostimo pričljivog Iliju Brajovića, koji je odmah iskoristio priliku da pozove ljude iz industrije - na sučeljavanje. :)

Startupi i poslovanje

Future of Work: Želite li sve benefite asinkronog rada nije dovoljno samo “ured preseliti u online alate”

Kako sebe, zaposlenike i klijente odviknuti od stalne dostupnosti, dopisivanja i komuniciranja koji zapravo ubijaju produktivnost i kvalitetu rada, posebno kad radimo u više vremenskih zona te koje su prednosti, a koji izazovi kod asinkronog načina rada sazali smo na konferenciji Future of Work: Async.

Digitalni marketing

Prima se rebrendirala: Što (i tko) stoji iza prepoznatljivog, a inovativanog vizualnog identiteta?

Od obiteljske tvrtke do poslovnog sustava s više od 2000 zaposlenih. Prima je u posljednjih 25 godina poprilično odmaknula od svojih početaka, stoga je bilo krajnje vrijeme za vizualni identitet koji bi odražavao takvu promjenu.

Intervju

10 godina Axilisa: “Danas radimo na sustavu koji svake subote procesira 10 puta više transakcija nego Amazon UK na Black Friday”

U povodu 10 godina postojanja tvrtke Axilis, s njezinim osnivačem Brunom Kovačićem popričali smo o tome kako su se on i tim snašli nakon što ih je akvizirao Superbet, kako su podnijeli munjevito brzi rast te kako je iz Hrvatske raditi na projektima koji po veličini nekad premašuju tehnološke divove.