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

Tehnologija

Može i bez tvornica: Hrvatska kao “meka” za R&D automobilske industrije!

2020. je za domaći IT donijela mnogo dobrih vijesti, a kakav potencijal naši stručnjaci donose za industriju automobila u 2021. i narednim godinama otkrili su nam Tomislav Car (Porsche Digital Croatia) i predstavnici dSPACE Engineeringa.

Startupi i poslovanje

Hrvatski Electrocoin otkriva kako su ih proizvodi za kriptovalute doveli do 330 milijuna kuna godišnjeg prometa

Krajem 2020. uvršteni su u sam vrh Deloitte Fast 50 ljestvice, imaju 3 proizvoda, a osim što sami rastu, u zadnje vrijeme bujaju i kriptovalute kojima su posvetili svoje poslovanje. Bio nam je to dobar povod da s jednim od direktora Electrocoina, Nikolom Škorićem, razgovaramo o izazovima vođenja hrvatskog poduzeća koje se bavi kriptovalutama.

Kultura 2.0

Hrvatski znanstvenici pripremaju veliko istraživanje o komunikaciji u koronakrizi – na Twitteru, YouTubeu i Redditu!

(Dez)informacije o koronavirusu ne jenjavaju ni godinu dana od početka pandemije, dapače, njihovo širenje na društvenim mrežama samo raste. Kako te poruke utječu na stavove Hrvata? Uskoro će nam više otkriti domaći znanstvenici i stručnjaci metodama iz područja obrade prirodnoga jezika, dubokog učenja i analize društvenih mreža.

Što ste propustili

Tehnologija

7 lekcija koje možemo naučiti iz najvažnije godine za online trgovinu!

eCommerce eksplozija otkrila je dragulje i jame - mnogi su se u 2020. našli pred velikim izazovima; neki jer im online trgovina nikada nije bila opcija, drugi jer su prihvaćali svakakva rješenja u zadnji čas - rijetki su pobrali vrhnje jer su prepoznali potencijal mnogo ranije.

Startupi i poslovanje

Tipsy vam u Zagrebu dostavlja piće unutar 3 sata – uz pomoć Craft Technology softvera

Radi se o novom brendu Wine&morea, koji su postojeću logistiku i softver iskoristili za ciljanje domaće, mlađe publike. Osim što su dokazali da u kratkom roku mogu pokrenuti novi brend, Tipsy im je poslužio i kao studija slučaja za vlastiti softver, kako za Netokraciju otkrivaju Ivan Kovačević i Dario Drmač.

Mobilno

Skinuli ste i Telegram i Signal, a niste znali: EU Hrvatima štiti podatke od WhatsAppa!

Elon Musk tweetne: "Koristite Signal". Internet poludi. Bismo li ga trebali poslušati i zašto?

Novost

Anita Lacmanović postala nova generalna direktorica SAP-a Hrvatska

Anita Lacmanović nova je generalna direktorica SAP-a Hrvatska, a njezino vođenje tvrtke obilježit će nova strategija s jasnim fokusom na ubrzani prelazak korisnika na rješenja u oblaku te predanost uspjehu postojećih i budućih SAP-ovih klijenata, stoji u priopćenju.

Kultura 2.0

Incijativa digitalca iz Siska osigurala gotovo 1.000.000 kuna za pomoć Glini, Petrinji i okolici

Siščanin Goran Kovačević odmah je nakon prvog prošlogodišnjeg potresa u Petrinji pokrenuo crowdfunding kampanju za pomoć svima pogođenima potresom. Brojimo još samo nekoliko dana prije isteka!

Kultura 2.0

Hrvatski znanstvenici pripremaju veliko istraživanje o komunikaciji u koronakrizi – na Twitteru, YouTubeu i Redditu!

(Dez)informacije o koronavirusu ne jenjavaju ni godinu dana od početka pandemije, dapače, njihovo širenje na društvenim mrežama samo raste. Kako te poruke utječu na stavove Hrvata? Uskoro će nam više otkriti domaći znanstvenici i stručnjaci metodama iz područja obrade prirodnoga jezika, dubokog učenja i analize društvenih mreža.