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

Startupi i poslovanje

Imaš li svoje vrijeme za stvaranje? Jer jedan sastanak je dovoljan da ti uništi koncentraciju za cijeli dan!

Maker time. Deep work. Vrijeme za produktivnost i ideje. Zvuči kao ideal za mnoge hrvatske tvrtke, ali želimo li biti učinkoviti i kreativni, moramo si odrediti raspored za stvaranje - bili programer, pisac ili dizajner, radili na daljinu ili u uredu!

Tehnologija

Koliko su novi e-Građani – bolji? Evo što kažu hrvatski dizajneri i UX stručnjaci

e-Građani su napokon doživjeli dugo očekivani redizajn pod palicom vladinog vlastitog "startup" tima. Redizajn je kruna dvogodišnjeg rada, kažu. I treba biti s obzirom da je riječ o platformi na kojoj će biti dostupno 87 usluga za građane, a koje bi trebale biti okosnica digitalnog društva. Što su uspjeli poboljšati, na čemu još trebaju raditi - otkrivamo.

Startupi i poslovanje

“Vrijeme je da prestanemo veličati ‘ludnicu na poslu’. Haj’mo samo razvijati jako kvalitetan proizvod ili uslugu!”

Ljudi više ne mogu odraditi posao - na poslu… Jeste sami bili u toj situaciji ove godine, ovaj mjesec? Ako čitate ovo, vjerojatno ste dio digitalne zajednice, visoko-kompetitivnog IT sektora i možda vam se takve okolnosti događaju i na dnevnoj bazi. Tako ne bi trebalo biti.

Što ste propustili

Startupi i poslovanje

Kako tehnologijom rasteretiti korisničku podršku? Evo studije slučaja

Chatbot rješenja na popularnim aplikacijama i društvenim mrežama mogu preuzeti do 80 posto rutinskih upita koji pristižu korisničkoj podršci, kako je domaća marketinška agencija ClickAttack u tome pomogla UNIQA osiguranju?

Startupi i poslovanje

Infobip u 2021. planira osigurati još 500 milijuna dolara investicije

Hrvatski jednorog Infobip u 2021. planira nastaviti s akvizicijama i brzim rastom, a za to planiraju prikupiti još oko 500 milijuna dolara investicija.

Tehnologija

Voditeljica Vladinog tima otkriva kako je izgledao redizajn e-Građana na koji se čeka od 2014.

Redizajn e-Građana dogodio se zapravo posve slučajno, a isprva ga nisu htjeli koristiti ni sami Vladini službenici, ispričala nam je voditeljica projekta Ivana Vukov.

Intervju

Kad ulažete u vještine zaposlenika dobit se “prelijeva” i na ostatak tvrtke

Pandemijska 2020. nas je prisilila na velike promjene, ali kako se na njih pripremaju velike tvrtke i sustavi koji istovremeno moraju brinuti o mnogo više stvari nego jedan startup?

Startupi i poslovanje

Hrvatski Robotiq.ai potvrdio 900 tisuća eura vrijednu investiciju za svoje “softverske robote”

U zadnje vrijeme slušamo sve više uspješnih priča o RPA tvrtkama iliti tvrtkama koje se bave automatizacijom procesa, a jedna od najnovijih stiže od domaćeg startupa Robotiq.ai koji je privukao nedavno nemalu inozemnu investiciju.

Intervju

HAVC i Neuralab redizajnirali Filming in Croatia – portal za promoviranje Hrvatske kao “film friendly” destinacije

Nakon što su vidjeli scene Game of Thronesa i Mamma Mije, filmaši koji žele snimati u Hrvatskoj sada sve informacije mogu naći na modernoj stranici Hrvatskog audiovizualnog centra - Filming in Croatia.