دینامیک سیالات محاسباتی چیست
دینامیک سیالات محاسباتی یا همان CFD عبارت از تحلیل سیستم های شامل جریان سیال، انتقال حرارت و پدیده های همراه، نظیر واکنش های شیمیایی، براساس شبیه سازی کامپیوتری می باشد. CFD روش بسیار توانمندی است، در این مقاله صفر تا صد دینامیک سیالات محاسباتی را به صورت جامع بررسی می کنیم. به این منظور نرم افزارهای CFD معرفی و مقایسه می شود. برای یافتن این اطلاعات می توانید مقاله را مطالعه کنید.
کاربرد CFD
از روش دینامیک سیالات محاسباتی در حل معادله حرکت سیال، انتقال حرارت، توزیع تنش و … می توان استفاده کرد. به طور کلی می توان گفت تمام معادلات مهندسی را می توان با استفاده از این روش حل کرد. بر این اساس کاربردهای آن طیف وسیعی را در بر می گیرد.
بطوری که طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی و غیر صنعتی را در بر می گیرد. برخی مثال ها عبارتند از:
- آئرودینامیک هواپیما و وسایل نقلیه
- هیدررودینامیک کشتی ها
- نیروگاه: احتراق در موتورهای IC و توربین های گازی
- توربو ماشین: جریان های داخل گذرگاه های دوار، پخش کننده ها
- و مهندسی برق و الکترونیک: خنک
- کاری دستگاه هایی که دارای مدارهای ریز می باشند
- و مهندسی فرایندهای شیمیایی: اختلاط و شکل گیری پلیمر
- و مهندسی محیط زیست: توزیع آلودگی و جریان های گذرا
- مهندسی پزشکی: جریان خون عبوری از رگ ها
- هواشناسی: پیش بینی وضع هوا
روش CFD تکنیکی بسیار قوی بوده و محدوده ی بزرگی از کاربردهای صنعتی را در بر می گیرد. در زمینه ی کاربردهای مهندسی شیمی می توان به پلیمریزاسیون، جریان های چند فازی، مدلسازی راکتورها، ته نشینی، جداسازی و اختلاط اشاره کرد.
تاریخچه
برای تحلیل رفتار سیالات می توان مطالعات آزمایشگاهی و تجربی را بکار برد. از سال ها و قرنهای گذشته دانشمندان زیادی از جمله اولر، ليبينيز ، پرانتل ، استو کسی، ناویره و… تلاش های فراوانی جهت مطالعه، بررسی و شناخت رفتار جریان های سیالات، در طول دوران های مختلف انجام دادند. این تلاش ها منجر به پیدایش مکانیک سیالات Fluids Mechanic گردید.
با استفاده از معادلات توسعه یافته در دینامیک سیالات محاسباتی می توان هر نوع معادله ی دیفرانسیلی را به صورت جبری حل کرد. بر این اساس روش های مختلفی به منظور تبدیل معادله دیفرانسیل به معادله جبری توسعه داده شده است. از بین آن ها می توان به روش تفاضل محدود، روش المان محدود و روش حجم محدود اشاره کرد.
به عبارت دیگر مکانیک سیالات شالوده نتایج و یافته های مطالعه شده می باشد که به صورت آزمایشگاهی و در اثر سعی و خطا و تکرارهای گسترده به دست آمده است. با استفاده از نتایج حاصل شده از آزمایش های مختلف و استفاده گسترده از معادلات دیفرانسیل و روابط ریاضی، معادلات حاکم تئوری کاربردی به دست آمدند. ضمنا بسیاری از دانشمندان به تعمیم و تحلیل معادلات مکانیک سیالات پرداختند.
پس بطور کلی برای تحلیل رفتار سیالات دو روش موجود می باشد:
1- روش آزمایشگاهی و تجربی
۲- روش تئوری (استفاده از معادلات حاکمه)
روش های حل عددی معادلات دینامیک سیالات محاسباتی از ابتدای ظهور آن وجود داشند. اما به دلیل آن که حجم محاسبات به صورت دستی بسیار زیاد بود، هیچگاه به توسعه نرسید. تا این که کامپیوترها توانستند معادلات را در زمان کوتاهی حل کنند. اما این معادلات به طور عمده غیرخطی هستند و همین عامل موجب افزایش زمان محاسباتی و پیچیدگی حل آن ها (حتی با کامپیوترها) می شود.
نقش کامپیوترها در توسعه محاسبات CFD
توسعه و پیشرفت علوم کامپیوتر و استفاده گسترده از زبانهای برنامه نویسی منشا پیدایش دینامیک سیالات محاسباتی، جهت حل عددی معادلات مکانیک سیالات در قرن حاضر گردید. به بیان دیگر CFD یا روش عددی، یک روش جدید، سریع و کاربردی در دنیای امروز است که به حل معادلات مکانیک سیالات می پردازد. کدهای CFD معادلات پیوستگی جرم، انرژی و اندازه حرکت را روی یک دامنه که توسط کاربر نوشته شده بود را در کسری از ثانیه حل می کرد.
استفاده از کامپیوتر در CFD موجب افزایش سرعت محاسبات شده است. به طوری که می توانیم با کامپیوترهای شخصی (Personal Computer) مسائل پیچیده مهندسی را حل کنیم. با استفاده از نرم افزارهای دینامیک سیالات محاسباتی که روی کامپیوترها اجرا می شوند. می توان طیف وسیعی از پدیده های فیزیکی و مهندسی را مدل سازی کرد. از آن جمله می توان به انتقال حرارت، توزیع تنش، حرکت سیالات، انتقال جرم و واکنش اشاره کرد.
نرم افزارهای دینامیک سیالات محاسباتی
مهم ترین نرم افزارهای CFD در زیر ذکر شده اند.
- کامسول مالتی فیزیکیز ( COMSOL Multiphysics )
- انسیس یا انسیس فلوئنت ( Ansys Fluient )
- آباکوس ( Abaqus )
خدمات شبیه سازی تمام این نرم افزارها توسط فرآیند پروژه ارائه می شود. شما می توانید خدمات انجام پروژه کامسول را در زیر مشاهده کنید.
✨ COMSOL PROJECT ✨
جدیدترین نرم افزاری است که در حوزه CFD به بازار ارائه شده. شرکت مادر کامسول در سوئد قرار داشته و سرمایه گذار آن شرکت مت ورکز است. احتمالا نام شرکت مت ورکز را با نام نرم افزار متلب شنیده اید. پس می توان با توجه به سابقه و بزرگی شرکت متلب می توانید پشتوانه نرم افزار کامسول را حدس بزنید 🙂 این نرم افزار با توجه به کدنویسی آن در سال های اخیر و آپدیت های منظمی که ارائه می کند، از روند شبیه سازی بسیار قدرتمندی برخوردار است. به طوری که امکانات بسیار زیادی را در اختیار کاربر قرار می دهد.
مراحل تعریف مسئله CFD
در تعریف و حل یک مسئله CFD چهار مراحل مشخصی وجود دارد. در زیر هر یک از این موارد معرفی شده است.
1- تعریف هندسه : هندسه همان ناحیه ای است که ما قصد مطالعه آن را داریم. هندسه شبیه سازی CFD می تواند در حد نانومتر یا کیلومتر باشد.
2- تعیین معادلات، مقادیر ثابت و خواص ماده : برای تعریف مسئله لازم است معادلات بیان کننده رفتار آن مشخص شود. تعریف این بخش در نرم افزارهای CFD متفاوت است. همچنین برای حل معادلات به ثوابت آن و خواص ماده نیز نیاز است که باشد مشخص شود.
3- مش بندی : تقسیم بندی هندسه شبیه سازی به بخش های کوچکتر برای حل توسط معادلات جبری. در این بخش هندسه شبیه سازی توسط دستورهای مختلف (متناسب با معادلات) به زیر بخش هایی تقسیم می کنیم تا در هر بخش معادلات به صورت جبری حساب شود.
4- حل مسئله : بخش پایانی و مهم ترین بخش حل مسئله می باشد. در این بخش باید روش های عددی مناسب برای حل معادلات (دستگاه معادله) را انتخاب کرده و اقدام به حل کنیم. اگرچه در حال حاضر نرم افزارهای دینامیک سیالات محاسباتی به قدری پیشرفت کرده اند که بهترین گزینه ها را در اختیار ما قرار می دهند.
تعریف شرایط مرزی
شرایط مسئله مانند دو بعدی یا سه بعدی بودن هندسه، شرایط مرزی، دوفازی بودن مسئله، بزرگی ابعاد هندسی مسئله و … باعث استفاده از روش های عددی جهت حل معادلات گردید. جواب های عددی به صورت المان محدود و یا تقریب مناسب به حل مسئله پرداخته و جواب های ایده آل و قابل قبولی را به ما می دهند. برای دریافت اطلاعات بیشتر درباره شرایط مرزی می تواین به لینک مراجعه کنید.
