40 vuotta virtauslaskentaa: FINFLO auttaa Ilmavoimia ja eurooppalaista avaruustutkimusta
FINFLO-ohjelmistolla voidaan simuloida virtauksia lentokoneisiin, avaruusluotaimiin ja laivoihin. 1990-luvulla alkunsa saanut ohjelmisto on edelleen ajankohtainen: sillä voidaan laskea edistyksellisesti kokoonpuristuvia virtauksia ja simuloida dynaamisesti muuttuvia virtausympäristöjä.
1980-luvun puolivälissä kaksi Ilmavoimien edustajaa saapui silloiseen Helsingin Teknilliseen korkeakouluun tapaamaan aerodynamiikasta vastannutta professoria Seppo Lainetta. He halusivat keskustella siitä, miten virtauslaskennalla voisi tulevaisuudessa saada lisää tietoa hävittäjien toiminnasta.
Ilmavoimissa haluttiin oppia ennustamaan hävittäjien elinikää. Se vaatii muun muassa sitä, että lasketaan lentokoneen aerodynaamiset voimat.
Timo Siikonen, Senior Advisor, Elomatic
Niinpä Teknillisessä korkeakoulussa käynnistettiin vuonna 1987 virtauslaskennan tutkimusprojekti, johon palkattiin Siikonen ja toinen tutkija.
Pian kuitenkin selvisi, että sopivia kaupallisia ohjelmistoja ei ollut saatavilla, joten sellainen oli kehitettävä itse. Tutkijat ryhtyivät toimeen, ja myöhemmin työhön osallistui myös muita Aerodynamiikan laboratorion tutkijoita. Vuonna 1990 FINFLO-tiimiin liittyi Esa Salminen, joka oli työskennellyt aerodynamiikan laboratoriossa vuodesta 1985 muissa hankkeissa. Salminen tekee edelleen töitä FINFLO-simulaatioiden parissa Elomaticilla.
Uraauurtava ratkaisija syntyy
Alkuperäinen tavoite oli kunnianhimoinen: kokonainen lentokone oli tarkoitus simuloida kolmessa vuodessa.
”Ihan siihen emme ehtineet, mutta vuonna 1994 onnistuimme simuloimaan lentokoneen kokonaisuudessaan”, Esa Salminen kertoo.
Tuloksena syntyi FINFLO-ratkaisija eli virtauksia laskeva ohjelmisto, joka oli jo syntyessään edistyksellinen – ja on sitä edelleen, yli 30 vuotta myöhemmin. Ratkaisijan kehitystyö jatkui 2000-luvun alkuun saakka.
Ratkaisijalla simuloidaan sitä, miten lentokoneet, avaruuslaskeutujat ja laivat käyttäytyvät ilman, veden tai kaasun vaikutuksesta. Kehitettyjen lisätyökalujen avulla tuloksia voidaan myös analysoida ja visualisoida. Ratkaisijalla onnistuttiin vastaamaan Ilmavoimien alkuperäiseen toiveeseen.
Loimme ymmärryksen siitä, miten Horneteja pitää lentää, jotta ne kestävät käytössä mahdollisimman pitkään.
Timo Siikonen, Senior Advisor, Elomatic
Tuulitunneleista tarkkaan simulaatioon
Aikaisemmin suuriin kappaleisiin vaikuttavia ilmavirtauksia tutkittiin useimmiten tuulitunneleissa pienoismallien avulla. Kun tietokoneet alkoivat kehittyä entistä nopeammin 1970-luvulla, voitiin tuulitunnelitestauksia korvata laskentaan perustuvilla simulaatioilla. Aerodynamiikan alalla tuolloin käytetyt tietokoneohjelmat laskivat ilman liikettä melko yksinkertaistetuilla malleilla, jotka perustuivat ideaalivirtausten potentiaaliteoriaan ja siihen liitettyyn kitkan huomioon ottavaan rajakerrostarkasteluun.
Huomattavasti tarkempi tapa mallintaa virtauksia on käyttää Navier-Stokes-yhtälöitä, jotka kuvaavat kaasujen ja nesteiden liikkeitä tarkasti. Näihin yhtälöihin perustuu myös FINFLO.
Lentokoneisiin liittyvien virtausten lisäksi FINFLOlla voidaan laskea muun muassa laivoihin sekä pumppuihin ja kompressoreihin liittyviä virtauksia – ja on sillä laskettu esimerkiksi ydinvoimalan polttoainesauvojen jäähdytystäkin.
Uusi kyky tiimiin
Kun tiedetään, minkälaisia kuormituksia kohdistuu vaikkapa lentokoneen siipiin, vakauttimiin tai ohjainpintoihin, voidaan lentokoneesta tehdä mahdollisimman tehokkaasti ja hyvällä hyötysuhteella toimiva, sanoo Patrik Rautaheimo, joka tuli mukaan FINFLO-tiimiin vuonna 1993. Nykyään Rautaheimo toimii Elomaticin hallituksen puheenjohtajana.
Teknillisessä korkeakoulussa opiskellut Rautaheimo päätyi FINFLO-tiimiin mennessään kesätöihin TKK:n Aerodynamiikan laboratorioon – siis samaan paikkaan, jossa Siikonen tiimeineen kehitti ratkaisijaa.
Hyvin sujuneen kesän jälkeen Rautaheimo sopi Siikosen kanssa, että alkaa tehdä laboratoriossa diplomityötään virtauksen turbulenssin mallinnuksesta, jota käytetään FINFLOssa. Vuosikymmenten aikana FINFLOon liittyen on tehty kaikkiaan noin sata diplomityötä ja kaksikymmentä väitöskirjaa.
FINFO-ohjelmiston kehittäjiä entisen Helsingin Teknillisen korkeakoulun alueella – ohjelmiston kehittämisen alkulähteillä. Kuvassa vasemmalta alkaen Patrik Rautaheimo, Timo Siikonen ja Esa Salminen.
Rinnakkaislaskenta toi lisää tehoja
Kun Rautaheimo liittyi FINFLO-tiimiin, oli ratkaisijan perusvirtauslaskentakoodi jo hyvällä mallilla, mutta haasteena oli turbulenssin mallinnus.
Rautaheimon päätehtäväksi tulikin selvittää, miten turbulenssia voisi mallintaa rinnakkaislaskentaa hyödyntämällä entistä paremmin. Vaikka tutkimus oli Rautaheimon sanojen mukaan toisinaan pitkäpiimäistä, tuotti se kuitenkin tulosta. Hän myös kehitti FINFLOn koodia niin, että laskentaa voitiin tehdä merkittävästi aiempaa nopeammin, usealla tai jopa sadoilla tietokoneen laskentaytimillä yhtä aikaa.
”Me olimme Esan kanssa hyvä työpari. Esa on guru geometrioiden ja laskentaverkkojen luomisessa, ja minä keskityin virtauslaskentaan. Timo johti koko projektia ja oli mukana tarkastamassa, kyselemässä ja haastamassa tekemistämme”, Rautaheimo kertoo.
Avaruuslaskeutujien analysointia Euroopan avaruusjärjestölle
FINFLOa kehitettiin vuoteen 2001 saakka Teknillisen korkeakoulun siipien suojassa, kunnes päädyttiin siihen, että oli aika perustaa FINFLOn ympärille yhtiö. Se nimettiin Finflo Oy:ksi.
Sittemmin FINFLOlla on tehty virtauslaskentaa Ilmavoimien lisäksi muun muassa Euroopan avaruusjärjestölle.
Juuri nyt laskemme Mars-laskeutujan toimivuutta. Simuloimme sen laskeutumisen Marsin pinnalle ja selvitämme, miten laskeutuja heiluu mennessään. Niin varmistamme, että se laskeutuu oikeassa asennossa Marsin pinnalle.
Timo Siikonen, Senior Advisor, Elomatic
Elomatic on ollut mukana useissa Mars-laskeutuja- ja avaruusluotainhankkeissa. Nyt meneillään on projekti Eurooopan avaruustutkimuskeskukselle.
FINFLOlla on analysoitu planeettalaskeutujia aikaisemminkin. 1990-luvulla toimeksiantajana oli Ilmatieteen laitos, joka halusi tietää, millaiset aerodynaamiset olosuhteet olivat laskeutumisen aikaan instrumentilla, joka oli Saturnuksen Titan-kuuhun laskeutuvan Huygens-luotaimen kyydissä. Myös Ilmatieteen laitoksen suunnitteilla olleen Mars MetNet-aluksen laskeutumisjärjestelmä optimoitiin FINFLOn avulla 2010-luvulla.
Virtauslaskentaa tarvitaan myös tulevaisuudessa
Vuonna 2017 Elomatic osti Finflo Oyn. Kaupan mukana FINFLO-koodin omistusoikeus siirtyi Elomaticille, josta tuli Suomen johtava laskentapalvelujen toimittaja.
”Kaupan myötä pääsimme osaksi isompaa porukkaa ja hyödyntämään entistä tehokkaammin osaamistamme. Elomaticille siirtyi laskennan huippuosaamista, mikä täydentää suunnittelu- ja konsultointitoimiston palettia”, Rautaheimo sanoo.
Vaikka FINFLOn kehitys alkoi pian 40 vuotta sitten, on ratkaisija edelleen merkittävä: sillä voidaan laskea edistyksellisesti kokoonpuristuvia virtauksia ja simuloida dynaamisesti muuttuvia virtausympäristöjä. Se on myös monissa sovelluksissa kaupallisia kilpailijoitaan nopeampi.
Sekä Siikosen, Salmisen että Rautaheimon mielestä on tärkeää, että Suomessa pidetään kansainvälisestikin korkeatasoista virtauslaskennan osaamista yllä. Kyseessä on myös huoltovarmuuteen liittyvä asia – etenkin näin epävakaassa geopoliittisessa tilanteessa. Tarve virtauslaskennalle ei siis ole katoamassa, Salminen sanoo.
”FINFLO:n avulla voidaan tutkia hyvin monimutkaisia virtaukseen liittyviä ilmiöitä maalla, merellä ja ilmassa. Olemme tutkijahenkisiä ongelmanratkaisijoita, ja selvitämme mielellämme, millaista arvoa laskennalla saadaan aikaan.”
Simulointi säästää aikaa ja rahaa
FINFLO-virtauslaskenta ja simulointi säästää aikaa ja rahaa, kun testejä varten ei tarvitse rakentaa kalliita testilaitteita ja kun simulointi kertoo esimerkiksi sen, miten laitteita kannattaa suunnitella ja käyttää.
Kun puhutaan lentokoneen tai valtamerilaivojen kokoisista kappaleista, ei niihin liittyvien virtausten testaaminen fyysisesti ole aina edes mahdollista – puhumattakaan Mars-laskeutujista. Jokaista testiä varten ei voida rakentaa lentokonetta tai 200 metriä pitkää laivaa, eikä avaruusolosuhteissa ole mahdollista tehdä testauksia.
Toisinaan testejä varten on rakennettu pienoismalleja, mutta niillä ei on hankalaa tai jopa mahdotonta kuvata esimerkiksi ison laivan tai lentokoneen ominaisuuksia. Virtauslaskennalla taas voidaan luoda täydellisesti todellisuutta vastaava testitilanne.
Laskennan avulla muutosten vaikutukset voi nähdä nopeasti, ja kappaleen eli esimerkiksi lentokoneen rungon voi optimoida niin, että se kestää ja toimii mahdollisimman hyvin kaikissa tilanteissa.
Ota yhteyttä
Haluatko tietää lisää?
Virtauslaskenta
Virtauslaskentamme avulla voit tutkia erilaisten fluidien virtauksia sekä lämmön- ja massansiirtoa. Näin voit kehittää laitteita ja prosesseja sekä säästää aikaa ja kustannuksia.
FINFLO®
FINFLO® ON Navier-Stokes-ratkaisija, joka pystyy käsittelemään sekä koonpuristumattomia että kokoonpuristuvia virtauksia. Sitä ryhdyttiin kehittämään jo vuonna 1987, jolloin Helsingin teknillisessä korkeakoulussa aloitettiin virtauslaskennan tutkimusprojekti.