دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) وکاربرد آن در صنعت

دینامیک سیالات محاسباتی که به اختصار CFD نامیده می‌شود، با تکیه بر مدل‌سازی ریاضی جریان سیالات و الگوریتم عددی پارامترهای مختلف سیال را تجزیه و تحلیل می‌کند.

معرفی دینامیک سیالات محاسباتی

امروزه با پیشرفت‌های فراوان و چشم‌گیر در تکنولوژی و علوم مهندسی، یکی از مهم‌ترین اهداف در صنعت، بهبود طراحی و افزایش راندمان سیستم‌های مختلف است. دینامیک سیالات محاسباتی (Computational Fluid Dynamics) به منظور تحقق این اهداف، به کمک مهندسان و محققان شتافته است. همان طور که می‌دانید، مبحث آیرودینامیک نقش به سزایی را در این فرایندهای طراحی و ساخت ایفا می‌کند. ولی لازم به ذکر است، بهینه‌سازی محاسبات مختلف در عملیات و آزمایش‌ها با استفاده از آیرودینامیک، بسیار سخت و پیچیده می‌باشد.

دینامیک سیالات محاسباتی که به اختصار CFD نامیده می‌شود، با تکیه بر مدل‌سازی ریاضی جریان سیالات و الگوریتم عددی پارامترهای مختلف سیال را تجزیه و تحلیل می‌کند. این فرایند، یکی از شاخه‌های مرتبط با مکانیک سیالات محسوب می‌گردد. در این راستا، مهندسان با استفاده از کامپیوتر و نرم‌افزارهای مرتبط، مسائل مربوطه را شبیه‌سازی نموده و تاثیرات مختلف مایعات و گازها را با شرایط مرزی بررسی می‌کنند.

دینامیک سیالات محاسباتی از پرکاربردترین شاخه‌هایی است که مهندسان مکانیک در گرایش سیالات به آن می‌پردازند. درک کافی از مباحثی مانند سخت افزارها و منابع محاسباتی، الگوریتم عددی و معادلات دیفرانسیل با مشتقات جزئی لازمه شبیه‌سازی جریان سیالات به کمک CFD می‌باشد.

فرآیند شبیه‌سازی با دینامیک سیالات محاسباتی

هر فرایند شبیه سازی با دینامیک سیالات محاسباتی شامل مراحل زیر می‌باشد:

• درک و آگاهی کامل از نوع مسئله و اهداف آن
• شبیه‌سازی و طراحی مدل و بررسی شرایط اولیه و مرزی به کمک آن
•  تشکیل و حل معادلات ناویراستوکس
• رسیدن به نتایج قطعی و اعتبارسنجی نتایج حاصل

طی یک فرایند شبیه‌سازی به کمک دینامیک سیالات محاسباتی، می‌توان پارامترهای مختلف سیال مورد نظر از جمله فشار، سرعت، چگالی، دما، ویسکوزیته و … را مورد بررسی قرار داد. با محاسبه این موارد، به راحتی می‌توان جریان سیال را شبیه‌سازی و رفتار آن را مورد تجزیه و تحلیل قرار داد. مهندسان برای دستیابی به این اهداف، در آغاز، یک مدل ریاضی برای فرایند تهیه می‌کنند و سپس با کمک روش‌های عددی و با استفاده از نرم‌افزارها، محاسبات مذکور را انجام می‌دهند.

قوانین و معادلات حاکم بر دینامیک سیالات محاسباتی

به طور کلی، تمامی فرایندهای حل مسئله در دینامیک سیالات محاسباتی، بر مبنای استفاده از معادلات مرتبط با سیال هستند. این معادلات، برگرفته از قوانین اصلی و کلیدی بقا می‌باشند. قوانین بقا، شامل موارد زیر هستند:

بقای‌مومنتوم: قانون بقای مومنتوم، یک قانون مهم در CFD می‌باشد و می‌توان آن را با معادله مومنتوم و قانون دوم نیوتن، در مسائل مکانیک سیالات اعمال و از آن بهره برد.

قانون بقای جرم: این قانون با استفاده از معادله پیوستگی در مراحل حل مسائل CFD، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

قانون بقای انرژی: قانون بقای انرژی، به کمک معادله انرژی و با استفاده از قانون اول ترمودینامیک در حل مسائل دینامیک سیالات کاربرد دارد.

با اعمال این قوانین و معادلات، درمی‌یابیم که در حل مسائل دینامیک سیالات محاسباتی، همواره فرض بر این است که انرژی، جرم و مومنتوم در یک سیستم بسته، همواره بدون تغییر و ثابت هستند. با اعمال این قوانین و استفاده از معادلات اصلی، پارامترهای اصلی مسئله شامل فشار، دما و سرعت سیال محاسبه می‌شوند.

روش‌های حل مسائل مرتبط با دینامیک سیالات محاسباتی

از جمله روش‌های مورد استفاده در دینامیک سیالات محاسباتی، روش‌های گسسته‌سازی معادلات دیفرانسیل هستند. این تکنیک‌ها، شامل روش اجزاء محدود، روش حجم محدود، روش‌ طیفی و سایر روش‌های دیگر می‌باشد. روش حجم محدود، از دیگر روش‌ها، پرکاربردتر بوده و در فرایند شبیه‌سازی جریان‌های تراکم ناپذیر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

می‌دانیم جریان در سیالات، شامل دو نوع آرام و آشفته می‌باشد. بنابراین برای شبیه‌سازی جریان‌های سیالات در CFD، می‌توان از روش‌هایی مانند معادلات ناویر استوکس و یا روشی موسوم به شبیه‌سازی عددی بهره برد.

نرم‌افزارهای دینامیک سیالات محاسباتی

امروزه به کمک پیشرفت فناوری در حوزه نرم‌افزار، نرم‌افزارهای متعددی به کمک دینامیک سیالات محاسباتی آمده‌اند. در ادامه به معرفی بهترین و قدرتمندترین این نرم‌افزارها، می‌پردازیم:

• Abaqus
• ANSYS
• COMSOL Multiphysics
• Flow 3D
• OpenFOAM
• Autodesk CFD
• SimScale
• PowerFLOW
• SimulationX
• STAR CCM

کاربرد دینامیک سیالات محاسباتی در صنعت

حال که به اهمیت درک مبحث دینامیک سیالات محاسباتی در علم مهندسی پی بردیم، می‌توانیم کاربردهای آن را در صنعت مورد بررسی قرار دهیم. اگرچه این شاخه از علم فیزیک، کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف دارد، با این وجود به معرفی بخش کوچکی از این کاربردها در صنایع خواهیم پرداخت:

صنعت هواپیماسازی

دینامیک سیالات محاسباتی، نقش مهمی را در صنعت هواپیماها وسازه‌های هوایی کشورها دارا می‌باشد. علت این امر، تحلیل سرعت بالای سازه در محیط آکنده از مولکول‌های هوا و بررسی مقاومت بدنه آن به کمک CFD است. در حقیقت با محاسبه فشار وارد بر بدنه هواپیما، می‌توان آن را مقاوم سازی نمود.

صنعت کشتی‌سازی

مشابه فرایند تحلیل مقاومت بدنه هواپیما در جریان باد، می‌توان در مقاوم‌سازی ناوها و کشتی‌ها در برابر جریان‌های آشفته آب نیز از قوانین CFD بهره برد.

صنایع خودروسازی

از جمله کاربردهای CFD در خودروسازی، طراحی و تحلیل سیستم احتراق خودرو و بررسی حرکت خودرو در حضور جریان باد یا همان اصطکاک هوا می‌باشد.

صنعت داروسازی

از کاربردهای CFD در صنعت، می‌توان به شبیه سازی الگوی جریان، ارزیابی و شبیه سازی پراکنش و ردیابی ذرات در اتاق پاک در صنایع دارویی می‌باشد. مراحل مختلف آماده‌سازی محصولات دارویی معمولی، شامل آسیاب، دانه‌بندی، خشک کردن، پرس قرص، چاپ پوشش و پر کردن می‌باشد. به کمک CFD، می‌توان هر یک از این مراحل را با استفاده از شبیه‌سازی‌های مرتبط، آنالیز و بهینه‌سازی نمود.

CFD در استخراج نفت و گاز

از دیگر کاربردهای دینامیک سیالات محاسباتی در صنعت، استفاده از آن در صنایع نفت و گاز است. در تمامی موارد مرتبط با Piping، دبی و سرعت نفت و گاز عبوری از لوله‌ها، بررسی احتمال وقوع کاویتاسیون و به طور کلی جریان سیال در لوله‌ها از CFD استفاده می‌شود.

صنایع مهم دیگری که می‌توان با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی به بهینه‌سازی و رشد آنها کمک کرد، شامل موارد زیر می‌باشد:

• صنعت سیمان
• صنایع هسته‌ای
• صنایع نظامی
• ساخت توربوماشین‌ها
• صنعت غذایی
• سیستم‌های تهویه مطبوع (HVAC)

این‌ها تنها بخش‌هایی از کاربرد دینامیک سیالات محاسباتی در زمینه صنعت می‌باشد و با گسترش روزافزون و چشم‌گیر علم مهندسی مکانیک، این کاربردها، وسیع‌تر نیز خواهد شد.