دینامیک سیالات محاسباتی(CFD)

دینامیک سیالات محاسباتی یا سی‌اِف‌دی

Computational fluid dynamics CFD

یکی از شاخه‌های مکانیک سیالات است که با استفاده از آنالیز عددی و الگوریتم‌های عددی، مسائل مشتمل بر شاره‌های سیالاتی را تجزیه و تحلیل می‌کند. از کامپیوترها برای شبیه‌سازی بر هم کنش مایعات و گازها با سطوح شرایط مرزی استفاده می‌شود. این شاخه از مکانیک سیالات، مکانیک قدیم را به علوم رایانه و توانمندی‌های نوین محاسباتی آن در نیمه دوّم قرن بیستم و در سده جدید میلادی وصل می‌کند.

در این روش با تبدیل معادلات دیفرانسیل پاره‌ای حاکم بر سیالات به معادلات جبری امکان حل عددی این معادلات فراهم می‌شود. با تقسیم ناحیه مورد نظر برای تحلیل به المان‌های کوچک‌تر و اعمالشرایط مرزی برای گره‌های مرزی با اعمال تقریب‌هایی یک دستگاه معادلات خطی بدست می‌آید که با حل این دستگاه معادلات جبری، میدان سرعت، فشار و دما در ناحیة مورد نظر بدست می‌آید. با استفاده از نتایج بدست آمده از حل معادلات می‌توان برآیند نیروهای وارد بر سطوح، ضرایب برا و پسا و ضریب انتقال حرارت را محاسبه نمود.

در دینامیک سیالات محاسباتی از روش‌ها و الگوریتمهای مختلفی جهت رسیدن به جواب بهره می‌برند، ولی در تمامی موارد، دامنه مسئله را به تعداد زیادی اجزاء کوچک تقسیم می‌کنند و برای هر یک از این اجزاء مسئله را حل می‌کنند. پس از رسم یک ۱۰۰ ضلعی منتظم مشاهده خواهیم نمود که شکل حاصل مشابه دایره است. با افزایش تعداد اضلاع این شباهت بیشتر خواهد شد. در حقیقت این پدیده در مبحث سی‌اِف‌دی نیز مفهوم خواهد داشت.

تحلیل و شبیه سازی سیالات و انتقال حرارت- CFD

مکانیک شاره‌ها یا مکانیک سیالات به انگلیسی - Fluid mechanics - یکی از شاخه‌های وسیع در مکانیک محیط‌های پیوسته را تشکیل می‌دهد. مکانیک سیالات هم با همان اصول مربوط به مکانیک جامدات آغاز می‌شود، ولی آن‌چه که سرانجام آن دو را از هم متمایز می‌سازد، این است که سیالات بر خلاف جامدات قادر به تحمل تنش برشی نیست. با دانستن این مسئله معادله‌هایی برای تحلیل حرکت سیالات طرح‌ریزی شده است. این معادلات به احترام ناویه و استوکس دو ریاضی‌دان بریتانیایی و فرانسوی به نام معادلات ناویه-استوکس نامیده می‌شوند. تحلیل و شبیه سازی های سیالات و انتقال حرارت یا - CFD - Computational Fluid Dynamics - در حقیقت حل معادله ناویر استوکس برای حجم های کوچک از مدل اصلی می باشد. در این روش کل حجم مورد نظر ابتدا به حجم های بسیار کوچکی در عملیات مش بندی تقسیم می شود و پس از اعمال شرایط مرزی، معادلات مذکور برای کلیه المان ها حل می شود. شبیه سازی های سیالاتی یا CFD از لحاظ روال کلی مشابه تحلیل های استاتیکی و دینامیکی FEM می باشد. در هر دو روش برای حل از المان های بسیار کوچک تری نسبت به مدل اصلی استفاده می شود.

امروزه با بالا رفتن سرعت پردازش رایانه ها، تحلیل های CFD و FEM جایگاه ویژه ای در بخش طراحی و تحلیل خرابی پیدا کرده اند. موارد مهمی که در تحلیل های سیالاتی و انتقال حرارت می توان محاسبه کرد عبارت است از:

پلات سرعت، دما و فشار سیال در هر نقطه از مدل
پلات ها و کانتور های سرعت، دما و فشار سیال در سطوح داخلی و خارجی
دیاگرام مسیر جریان سیال
پلات ها و نمودارهای انتقال حرارت در سطوح خارجی و مرزی
محاسبات مربوط به سرعت، دما و فشار در سطوح و احجام مختلف

تحلیل و شبیه سازی سیالات و انتقال حرارت که با نرم افزارهایی مانند : فلوئنت Fluent ، انسیس Ansys ، پایروسیم (pyrosim) و فلو ورکز Flow works انجام می پذیرد در بخش های مختلفی از صنایع کاربرد دارد که برخی از این موارد عبارتند از:

تحلیل و شبیه سازی تهویه صنعتی و تهویه مطبوع
تحلیل و شبیه سازی توربین و کمپرسور
تحلیل و شبیه سازی تهویه تونل
تحلیل و شبیه سازی مبدلهای حرارتی
تحلیل و شبیه سازی دودکش
تحلیل و شبیه سازی پمپ

کاربرد :

اکنون روش دینامیک سیالات محاسباتی جای خود را در میان روش‌های آزمایشگاهی و تحلیلی برای تحلیل مسائل سیالات و انتقال حرارت باز کرده‌است و استفاده از این روش‌ها برای انجام تحلیل‌های مهندسی امری عادی شده‌است.

دینامیک سیالات محاسباتی به صورت گسترده در زمینه‌های مختلف صنعتی مرتبط با سیالات، انتقال حرارت و انتقال مواد به کمک سیال بکار گرفته می‌شود. از جمله این موارد می‌توان به صنایع خودروسازی، صنایع هوافضا، توربوماشین‌ها، صنایع هسته‌ای، صنایع نظامی، صنایع نفت و گاز و انرژی و بسیاری موارد گسترده صنعتی دیگر اشاره نمود که دانش دینامیک سیالات محاسباتی به عنوان گره گشای مسائل صنعتی مرتبط تبدیل شده‌است.

مزایای طراحی سیستم تهویه پارکینگ به کمک CFD :

امکان شبیه سازی کامل پارکینگ با استفاده از دانش بومی متخصصین داخلی
به حداقل رسانی نقاط مرده در پارکینگ
شبیه سازی شرایط کارکردی عادی (پخش و تخلیه مونوکسید کربن)
شبیه سازی شرایط حریق در خطرناکترین حالت (پخش و تخلیه دود و گازهای حاصل از احتراق)

شبیه سازی و تحلیل سیالات، انتقال حرات، مکانیکی و حریق

از مهمترین نیازهای شرکت های تولیدی و صنعتی، طراحی محصولات جدید و به روز رسانی و ارتقای محصولات قدیمی می باشد. امروزه با وجود نرم افزارهای مدلسازی این امکان وجود دارد که کلیه مراحل طراحی با سرعت و کیفیتی مناسب و به وسیله این نرم افزار ها صورت گیرد. در حین انجام پروسه طراحی می توان به کمک نرم افزارهای تحلیل المان محدود،کلیه تحلیل های مورد نیاز از قبیل: تحلیل استاتیکی، دینامیکی، انتقال حرارت، سیالات(CFD)، تحلیل مکانیزم ،شبیه سازی آتش سوزی و حریق با نرم افزار pyrosim پایرو سیم و سایر تحلیل ها را بر روی مدل و مجموعه انجام داد، به نقاط ضعف و قدرت طرح پی برد و آنرا بهبود بخشید.