دینامیک سیالات محاسباتی (Computational Fluid Dynamic-CFD) چیست؟
دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) روشی عددی (محاسباتی) برای انجام شبیه‌سازی‌های کامپیوتری است که جریان سیالات و نحوه تأثیرگذاری اجسام بر آنها را محاسبه میکند. این روش ابزاری بسیار قدرتمند است که با کیفیت مطلوبی مشخص میکند که دما، فشار و سرعت چگونه در یک سامانه تغییر می‌کنند.
مشابه تجزیه و تحلیل بر مبنای اجزای محدود (FEA)، حجم سیال مورد بررسی به تعدادی زیادی از عناصر کوچک تقسیم می‌شود که نهایتاً برای حل معادلات جریان به یک ماتریس تبدیل می‌شوند.
CFD چگونه کار میکند؟
بسیاری از مردم با استراتژی “تقسیم‌بندی” آشنا هستند: خرد کردن یک مشکل، کار یا فعالیت بزرگ به تعدادی مسئله کوچک‌تر و قابل‌کنترل‌تر. میتوان گفت این دقیقا همان کاری است که CFD میکند.
دلیل پیچیدگی محاسبات در حل مسائل مربوط به دینامیک سیالات این است که دارای خواص مختلفی مانند گرما، جرم و سرعت میباشد که همه آنها در طول زمان بر یکدیگر تأثیر می‌گذارند. در نظر گرفتن همه‌ی این موارد در یک مدل ریاضی نهایتا منتج به معادلات ناویر-استوکس می‌شود، یعنی یک سری معادلات دیفرانسیل جزئی بسیار پیچیده که شامل بیش از یک متغیر و مشتقات آن‌هاست.
همانطور که گفته شد، توصیف اصلی ریاضی برای همه مدل‌های دینامیک سیالات توسط معادلات ناویر-استوکس، که حرکت جریان سیال ویسکوز را توصیف می‌کنند، ارائه شده است. تاریخچه اکتشافات این معادلات بسیار جالب است چراکه معادله معروف ناویر-استوکس توسط کلود-لوئیس ناویر (۱۸۳۶-۱۷۸۵) و سِر جورج گابریل استوکس (۱۹۰۳-۱۸۱۹) که هرگز با هم ملاقات نکرده بودند، ایجاد شده است. در ابتدا، کلود لوئیس ناویر تا سال ۱۸۲۲ مطالعاتی را روی بخشی از معادلات انجام داد. بعدها، سر جورج گابریل استوکس معادلات را در سال ۱۸۴۵ تنظیم و نهایی کرد.
با استفاده از CFD، دینامیک سیالات در محدوده مورد بررسی ابتدا به‌عنوان یک سیستم بسته اتخاذ می‌شود. این مفهوم یک عامل بسیار تاثیرگذار است چراکه مرزهای مسئله را تعیین میکند. در یک سیستم بسته، تکانه و انرژی ثابت هستند، پس اصولاً همه چیز باید ثابت بماند.
در مرحله بعد، این ناحیه شبکه بندی (meshing) می‌شود یعنی به چندین زیر دامنه به نام “سلول” تقسیم می‌شود. هر سلول با سلول‌های مجاور خود در ارتباط است. تغییر یک متغیر در یک سلول روی سلول‌های دیگر تأثیر می‌گذارد. درست مانند یک دومینو، اگر به یک قطعه ضربه بزنید، وضعیت بسیاری از (یا شاید همه) قطعات پشت سر هم تغییر میکند. مسئله ابتدا از لبه‌ها، از شرایط مرزی، که ورودی و خروجی حجم سیال را مشخص میکند، حل می‌شود و سپس به سمت نواحی داخلی می‌رود.
چرا CFD مهم است؟
تصور کنید این امکان را دارید که به آینده نگاه کنید و میتوانید ببینید که سیستم طراحی‌شده توسط شما چگونه کار میکند، قبل از اینکه هیچ چیزی در عمل ساخته شود. این مسئله به شما توانایی ایجاد تنظیمات مناسب و ارتقای عملکرد سیستمتان را می‌دهد، حتی اگر هنوز در مرحله طراحی باشید.
یک مدل CFD ایده مطلوبی از نحوه عملکرد سیستم در مرحله اجرا را به شما می‌دهد. شما متوجه می شوید که چه چیزی به درستی کار میکند و چه چیزی نه، در واقع به شما این امکان را می‌دهد که در مراحل اولیه کار و قبل از ساخت تجهیزات همه اقدامات لازم را جهت بهرهبرداری به شکل مطلوب انجام بدهید.
این موضوع به روشن شدن فضای ذهنی شما کمک میکند و همچنین می‌تواند پول زیادی را برای شما، که ممکن بود خرج تعمیرات یا ارتقای سیستم در آینده بشود، ذخیره کند.
توانایی‌ها
با استفاده از نرم‌افزارهای CFD میتوانید کمیت‌های سیالاتی زیر را محاسبه کنید:
• سرعت: سرعت و جهت ذرات داخل یا خارج مدل
• دما
• فشار
• گردابه‌ها، که نشان‌دهنده حرکت چرخشی سیال در نقاط مختلف ناحیه مورد بررسی است.
این نتایج را میتوان برای موارد ذیل محاسبه کرد و نمایش داد:
(1) در مکان‌های مشخص درون یک مدل
(۲) برای مقادیر حداکثر یا حداقل روی یک سطح یا یک نقطه
(3) در سرتاسر حجم سیال به صورت مجموع.
هنگامی‌که نتایج در محدوده سیال نمایش داده می‌شود، میتوان آنها را به صورت کانتورهای رنگی، ذرات مجزا و خطوط جریان (stream line) به تصویر کشید. برای تسهیل درک رفتار سیال، نتایج را میتوان در یک مقطع طولی یا عرضی در امتداد یک صفحه مشخص نمایش داد.
آیا CFD دشوار است؟
پاسخ به این سوال کاملاً به مسئله موردبررسی وابسته است. مثلا موتورخانه‌ها محلهایی هستند که هر اینچ فضا در آنها دربردارنده مدل‌های بسیار پیچیده‌ای است که برای اجرای شبیه‌سازی بایستی ساده‌سازی شوند.
دشواری کار در این تصمیم‌گیری نهفته است که چه چیزی باید ساده‌سازی شود و چه چیزی بدون تغییر بماند، کدام جزئیات تأثیرگذار هستند و کدام تأثیر آنچنان محسوسی ندارند. علاوه بر این، مناطق بحرانی و حساس نیاز به جزئیات بیشتری نسبت به سایر نواحی دارند. حذف عناصر تأثیرگذار می‌تواند منجر به یک نتیجه اشتباه شود.
چه زمانی از CFD استفاده کنیم؟
CFD به‌عنوان مثال برای یافتن چگونگی تغییرات سرعت هوا و سطوح دمایی در یک فضای مشخص استفاده می‌شود. اگرچه در هر گونه فضایی میتوان از CFD استفاده کرد، اما معمولاً در موقعیت‌های پیچیده استفاده می‌شود که شما دقیقاً نمی‌دانید ویژگی‌های مد نظرتان چگونه رفتار خواهند کرد، مانند یک موتورخانه که در آن نبود چرخش سیال می‌تواند باعث ایجاد مشکلات مختلفی بشود.
برای کابین‌های معمولی یا فضاهای مشابه دیگر، طراحی مبتنی بر دانش و تجربه کافی و مطلوب است. محاسبات نسبتاً ساده هستند و مشکلات به‌ندرت پیش می‌آیند. اما مثلا در سوپرقایق‌ها (super yacht) و کشتی‌های کروز که استانداردهای بسیار بالایی موردنیاز است، CFD نتایج مستدلی را ارائه میکند تا شما بتوانید کیفیت لازم را برای کارتان مهیا و تأمین کنید.
CFD کاربردهای زیادی فراتر از توسعه محصولات و آیرودینامیک دارد، مانند پیش‌بینی آب و هوا و حتی جلوه‌های بصری. در توسعه محصول، CFD ما را قادر می‌سازد تا محصولات و سامانه‌هایی را طراحی کنیم که قیود جریان سیال و انتقال حرارت را برآورده کنند.
روند کلی
CFD را میتوان با انجام مراحل زیر اجرا کرد:
۱. با ایجاد یک مدل شروع کنید. قبل از ورود به محیط شبیه‌سازی CFD، جزء یا مجموعه دو یا سه‌بعدی CAD را برای تجزیه و تحلیل ایجاد کنید. هندسه می‌تواند در خود نرم‌افزار CAD ایجاد شده یا از نرم‌افزار دیگری فراخوانی شود.
۲. دامنه سیال را تعریف کنید. مایع یا گاز موجود در شبیه‌سازی می‌تواند جریان داخلی باشد، مانند آبی که در یک سیستم لوله‌کشی جریان دارد، یا خارجی باشد، مانند جریان هوا بر روی سطوح خارجی یک خودرو. ناحیه حجمی را تعریف کنید و خواص مواد را به سیال مسئله از جمله چگالی، ویسکوزیته، ضریب انبساط حرارتی، ظرفیت گرمایی ویژه و هدایت حرارتی اختصاص دهید.
۳. شرایط مرزی را تعریف کنید. این شرایط نشان‌دهنده حرکت سیالات در ورودی و خروجی مدل مورد بررسی است. حرکت سیال را میتوان با سرعت جریان، فشار در ورودی و خروجی و جریان جرمی تعریف کرد. دماهای اعمال شده در هندسه مدل می‌تواند به‌عنوان یک شرط مرزی در نظر گرفته شود. بارهای حرارتی در سیستم را میتوان به صورت جریان حرارتی، شار حرارتی، هدایت حرارتی و رسانش تعریف کرد.
۴. تجزیه و تحلیل را انجام دهید. مطالعه CFD را میتوان به‌صورت وابسته به زمان، به‌منظور بررسی تغییرات جریان و دما به‌عنوان تابعی از زمان، و به‌صورت پایا، به‌منظور بررسی نتایج در حالت تعادلی، مشاهده نمود.
۵. نتایج را ارزیابی کنید. همانطور که در بالا ذکر شد، کمیت‌های مختلفی را میتوان به‌صورت گرافیکی برای فهم رفتار سامانه موردبررسی نمایش داد.
۶. سامانه را بهینه‌سازی کنید.
در هر زمانی تحلیل CFD پس از ایجاد هرگونه تغییرات در مدل به‌روز می‌شود که بازخوردهای آنی را برای بهبود شاخص‌های عملکردی سامانه به شما ارائه میکند.
CFD چقدر دقیق است؟
درحالی‌که دقت پاسخ یک مسئله به عوامل متعددی بستگی دارد، ساختار شبکهبندی یک عامل بسیار کلیدی است. شبیه‌سازی CFD یک تقریب از واقعیت است: هرچه شبکهبندی درشت‌تر باشد، از وضعیت واقعی دورتر می‌شوید. چنانچه فاصله زیادی از یک دقت معین در حل مسئله بگیرید نتیجه‌ی به‌دست‌آمده دیگر واقع‌بینانه نخواهد بود و کارایی نخواهد داشت.
برخی نواحی در مدل که در آن خواص فیزیکی دچار تغییرات شدید هستند به‌اندازه شبکه ریزتری نیاز دارند. وقتی شبکهبندی تمام اثراتی را که در یک سلول اتفاق می‌افتد پوشش ندهد، ممکن است مسئله به یک پاسخ مشخص همگرا نشود.
برای به دست آوردن نتایج قابل‌اعتماد و اطمینان از یک راه‌حل دقیق، تحلیلگران باید توجه کافی به اندازه سلول، تعداد و موقعیت سلول‌ها و زمان محاسباتی داشته باشند.
پیشرفت‌های اخیر
CFD قبلاً حوزه متخصصانی با سال‌ها آموزش و تجربه در این زمینه بود. اما پیشرفت‌ها در سال‌های اخیر طراحان و مهندسان را قادر ساخته تا شبیه‌سازی‌های CFD خود را بدون نیاز به کمک متخصصان انجام دهند.
به‌علاوه، شبیه‌سازی‌هایی که قبلا ساعت‌ها طول می‌کشید، اکنون می‌توانند تنها در چند دقیقه یا چند ثانیه انجام شوند. نتایج شبیه‌سازی مانند دستیار طراحی عمل میکند و به مهندسان کمک کند تا انتخاب‌های درست را در حین ساخت محصولات خود انجام دهند، و آنها دیگر نیازی ندارند منتظر بمانند که یک متخصص CFD به آنها وقت مشاوره بدهد.
نرم‌افزارهای CFD
در ادامه به برخی از بهترین ابزارهای تجزیه و تحلیل CFD در بازار اشاره میکنیم که امکانات مطلوبی را برای محققین و مهندسین فراهم کرده‌اند:
- Autodesk CFD
- SimScale
- Ansys
- OpenFOAM
- STAR CCM
- COMSOL Multiphysics
- Flow 3D
- PowerFLOW
جمع‌بندی
دینامیک سیالات محاسباتی مسائلی را که شامل جریان‌هایی مانند گازها یا مایعات است، تجزیه، تحلیل و حل میکند. این ابزار قادر است با استفاده از کامپیوترها شبیه‌سازی مدل‌های مختلف را انجام دهد و مشخص کند که در آنها سیالات چگونه جریان می‌یابند و چگونه با سطوح و بدنه‌های جامد اطراف خود در مدل اندرکنش دارند. CFD برای پیشمهندسی کردن نواحی پیچیده که در آن برقراری مطلوب دما و جریان عوامل تاثیرگذاری هستند، کاربردهای فراوانی دارد.
