CFD چیست؟ مثال هایی از دینامیک سیالات محاسباتی

در این مقاله به پاسخ سوال CFD چیست و معرفی دینامیک سیالات محاسباتی پرداخته‌ایم. مهندسان به کمک CFD به دنبال مطالعه‌‌ی سیالات و پیش‌بینی رفتار آن‌ها هستند. با ما همراه باشید تا با خلاصه‌ای از کاربردها، مزیت‌ها، نرم‌افزارها، معادلات و مراحل کار با دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) آشنا گردید.

فهرست مطالب

• • دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) چیست؟

• • کاربردهای دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)

• • مزیت‌های دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)

• • معادلات حاکم در دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)

• • مراحل استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)

• • ّاستفاده از سرویس محاسبات سنگین ابر فردوسی

دینامیک سیالات محاسباتی/ CFD چیست؟

از سال 1990 میلادی تاکنون، CFD پرچم‌دار شبیه‌سازی‌ها و تحلیل مسائل سیالات، یعنی گازها و مایعات است. اصطلاح CFD شکل خلاصه شده‌ی عبارت Computational Fluid Dynamics به معنای دینامیک سیالات محاسباتی می‌باشد. دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) ترکیبی از علم ریاضیات، فیزیک و نرم‌افزار محاسباتی برای تجسم نحوه جریان یک گاز یا مایع است. بررسی نحوه تأثیر گاز یا مایع بر یکدیگر و بر اجسام مختلف در صورت عبور از کنار هم، یکی دیگر از شاخصه‌های CFD می‌باشد. غالب محاسبات دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)، بر اساس معادلات ناویر-استوکس محاسبه می‌گردند. این معادلات چگونگی ارتباط سرعت، فشار، دما، ویسکوزیته و چگالی یک سیال متحرک را توصیف می‌کنند. معمولا این نوع از محاسبات در چهارچوب محاسبات سنگین (HPC) و توسط سرورهای قدرتمند انجام پذیر است.

کاربردهای دینامیک سیالات محاسباتی / CFD چیست؟

مهندسی به کمک کامپیوتر (CAE) تاثیر بسزایی بر دقت و سرعت روند کار مهندسان دارد. CFD یک CAE پرکاربرد است که در شبیه‌سازی و تجزیه و تحلیل بسیاری از محصولات و محیط‌ها موثر عمل می‌کند. ساخت نمونه اولیه از یک محصول و یا یک محیط فیزیکی، برای شناخت ایرادات ایده اولیه آن، بسیار گران قیمت و زمان‌بر است. به همین دلیل مهندسان امروزی، قبل از تولید و ساخت یک ایده، آن را با کمک CFD شبیه‌سازی و سپس تجزیه و تحلیل می‌نمایند. درواقع مطالعه‌‌ی سیالات و پیش‌بینی رفتار آن‌ها، هدف اصلی مهندسان مکانیک سیالات و CFD می‌باشد. بنابراین با کمک نرم‌افزارهای مختلف CFD از قبیل انسیس، آباکوس و… می‌توان به عنوان مثال یک آزمایشگاه پیشرفته از تونل باد، در یک سیستم خانگی داشت. در ادامه برخی از زمینه‌های کاربرد دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) به‌صورت فهرست‌وار آمده و برخی از آن‌ها شرح داده شده‌اند:

• • جریان هوا در اطراف خودروها و هواپیماها

• • زیرساخت‌های خنک کننده اتاق های سرور

• • گرد‌و‌خاک فصلی و جریان هوا و اقلیم

• • جریان‌های زیر دریا و اقیانوس

• • جریان درون یک راکتور

• • حرکت آب و فاضلاب در لوله‌کشی‌ها

• • خطوط انتقال نفت‌ و گاز

• • فشار و نحوه جریان خون در رگ‌ها

• • فشار درون سیلندر خودرو

• • نیروی پیشرانه‌ی موشک

• • انواع واکنش‌های شیمیایی آن‌ها

• • حرکت توربین‌ها و ماهواره‌ها و…

تهویه غیرفعال در استادیوم‌های جام جهانی فوتبال قطر:

قطر یکی از گرم‌ترین نقاط جهان است. به همین دلیل برگزاری مهم‌ترین رویداد ورزشی جهان در آن، نیاز به ملاحظات زیادی داشت. از جمله کارهای صورت گرفته به این منظور، انتقال بازی‌ها به فصل پاییز بجای تابستان بود. همچین ورزشگاه‌های Education City Stadium در دل خاک حفر شدند. اما این‌ اقدامات در برابر دمای مثبت 25 درجه در فصل پاییز قطر کافی نبود. به همین دلیل از CFD به عنوان راه نجات این ورزشگاه استفاده شد. سیستم‌های خنک کننده و حمام‌های فوق پیشرفته این استادیوم‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند تا کمترین میزان گرما و آلایندگی را تولید کنند. اما مهم‌ترین ویژگی این ورزشگاه‌ها استفاده از شکاف‌های هوایی بزرگ در ضلع شمالی و جنوبی این سازه‌ها است. این نوع سازه‌ها به دلیل وجود این شکاف‌ها که همانند ریه انسان عمل می‌کنند به ساختمان‌های تنفسی مشهورند. در ساختمان‌های تنفسی بدون استفاده از هیچ نیرویی جریان مداوم ورود هوای تازه به ورزشگاه و خروج هوای داغ و آلوده تضمین می‌گردد. بر اساس سیستم ارزیابی پایداری جهانی (GSAS)، اولین سیستم در منطقه خاورمیانه و شمال آفریقا برای رتبه‌بندی ساختمان‌های سبز، این ورزشگاه‌ها رتبه پنج ستاره را دریافت کرده‌اند.

منطقه شهری جدید کم کربن در عمان:

کشور عمان نیز به دلیل گرمای زیاد و استفاده مداوم از سیستم‌های خنک‌کننده و تهویه مطبوع، کربن بالایی تولید می‌کند. در این راستا این کشور درصدد ایجاد یک منطقه خوش آب و هوا در جایی دورتر از مسقط، در طی 40 سال آینده است. با استفاده از CFD، مهندسان در تلاشند تا سفرهای خنک داخلی را برای ساکنان عمان به ارمغان بیاورند. شبیه‌سازی‌های چندفیزیکی برای مدل‌سازی اثرات باد و خورشید، تابش امواج بلند و کوتاه، توده‌بندی، طرح‌بندی خیابان‌ها، درختان و ویژگی‌های آب از این طریق صورت گرفته‌اند. ریزاقلیم مهندسی شده مدینات العرفان، به زودی تبدیل به یک منطقه 624 هکتاری با کمترین نرخ تولید کربن در جهان خواهد شد. زیرا کاملا با اهداف توسعه پایدار سازمان ملل، توافق‌نامه آب‌وهوای پاریس و استاندارد زیرساخت‌های کربن پایین PAS2080 مطابقت دارد.

استفاده از CFD برای سیستم تهویه و خنک‌کننده اتاق سرور:

اتاق سرور یا همان دیتاسنتر یکی از اصلی‌ترین تولیدکنندگان گرما در جهان است. زیرا سیستم‌های خنک‌کننده بسیاری در آن جای‌گذاری شده‌اند. دانشمندان با استفاده از CFD و شبیه‌سازی‌های آن، در حال بازسازی و یا ایجاد دیتاسنترهایی با کمترین میزان تولید گرما هستند. با دسترسی یک نرم‌افزار سی اف دی به اندازه، جنس محتوا و چیدمان یک دیتاسنتر، می‌تواند یک مدل ریاضی سه بعدی از آن ایجاد نماید. این مدل سه بعدی چرخانده می‌شود و زوایای مختلف آن پدیدار می‌گردد. اینگونه نقاط داغ و یا مناطق هدررفت هوای سرد مشخص می‌گردد. این ویژگی منجر به ایجاد بهترین سیستم تهویه غیر فعال طبیعی با کمترین میزان هزینه و زمان خواهد شد.

آیرودینامیک و ماشین‌های فرمول یک:

هنگامی که یک مهندس قصد طراحی یک اتومبیل فرمول یک را دارد، آیرودینامیک نقش مهمی را در روند آن ایفا می‌کند.

از آن‌جایی که انجام فرآیندهای آیرودینامیکی به راحتی قابل اندازه‌گیری نیستند، مهندسان پیشین آزمایشات فیزیکی خود را بر روی نمونه اولیه انجام می‌دادند. این روند پرهزینه امروزه جای خود را با حل معادلات دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) عوض کرده است. در تجزیه و تحلیل نرم افزار CFD، جریان سیال اطراف اتومبیل از طریق تونل باد آزمایشگاهی اندازه‌گیری می‌گردد.

مزیت‌های دینامیک سیالات محاسباتی / CFD چیست؟

مسلما مزایای Computational Fluid Dynamics بسیار فراتر از موارد ذکر شده در ذیل است. با این حال در ادامه به برخی از آن‌ها اشاره خواهد شد:

صرفه جویی در زمان و هزینه‌ها:

دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) زمان و هزینه‌ی کمتری را به مهندسان، طراحان و سازندگان تحمیل می‌نماید. یک مهندس می‌تواند با کمک سی اف دی، چندین مولفه از قبیل فشار، حرارت، واکنش‌های شیمیایی و… را بر روی ایده خود آزمایش نماید. این در حالی است که انجام فیزیکی این آزمایشات، به‌صورت تجربی، بسیار گران قیمت و زمان‌بر است.

آینده زمین سبز:

یکی دیگر از مهم‌ترین مزیت‌های CFD، ایجاد طرحی پایدار و انعطاف‌پذیر در برابر آب و هوای گرم‌شونده زمین است. از سدها گرفته تا برج‌ها، استادیوم‌ها و سازه‌های ساحلی، همگی باید به‌گونه‌ای طراحی شوند تا کمترین میزان تولید CO2 را داشته باشند. طبق آمار آژانس بین‌المللی انرژی، تهویه مطبوع 13 درصد مصرف برق جهان را به خود اختصاص می‌دهد و تا سال 2050، 2 میلیارد تن CO2 تولید می‌کند. بنابراین سازه‌های جدید باید با استاندارهای آینده صفر خالص و پیشگیری از گرمای زمین مطابقت داشته باشند.

این مسئله که چگونه فضاها، مکان‌ها و سازه‌های خود را گرم، سرد و تهویه می‌کنیم، تأثیر بسزایی بر گرمای زمین دارد.

تنها با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) می‌توان بهترین طراحی را برای جریان‌های سیال هوای گرم‌،سرد و مطبوع در یک محیط بسته شناخت. به عنوان مثال ایجاد تهویه غیرفعال و مدل‌سازی دقیق برای مهار جریان باد در یک محیط بسته، منجر به حذف دستگاه‌های تهویه مطبوع پرهزینه و ناسالم می‌گردد.

زیرساخت‌های ایمن‌تر:

بسیاری از زیرساخت‌های هیدرولیکی، نیاز مبرم به آب دارند. از طرفی فصول خشک طولانی‌تر و دمای گرم‌تر گریبان‌گیر بسیاری از بخش‌های زمین شده است. مخازن ذخیره سیل، سد‌های تامین آب، سازه‌های دفاعی ساحلی، ایستگاه‌های پمپاژ رودخانه‌ها و تونل‌های فاضلاب همگی در معرض تاثیر این تغییرات هستند. مدل‌سازی‌ با CFD برای ارزیابی ایمنی و انعطاف‌پذیری زیرساخت‌های آب و فاضلاب موجود، و طراحی زیرساخت‌های جدید، منجر به مقاومت در برابر خرابی‌ها خواهد شد.

رایانش ابری و اتوماسیون:

رایانش ابری درحال تغییر میزان مقیاس‌پذیری، سرعت و دقت شبیه‌سازی‌های دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) است.

با استفاده از محاسبات ابری و اتوماسیون، یک مهندس می‌تواند صدها سناریو را مدل‌سازی کند. این مزیت باعث می‌شود که شرایط آب و هوایی مختلف و گزینه‌های طراحی گوناگون، برای ایجاد یک نمایه آماری از ریسک به تصویر کشیده شود. مدل‌سازی سناریوهای متعدد، منجر به ایجاد سطحی از جزئیات و واقع گرایی‌ها خواهد شد که تا یک دهه پیش غیرقابل تصور بود.

معادلات حاکم در دینامیک سیالات محاسباتی / CFD چیست؟

در دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) بررسی جریان سیال مطابق با ویژگی های فیزیکی آن مانند سرعت، فشار، دما، چگالی و ویسکوزیته انجام می‌گیرد. برای دستیابی به یک پاسخ دقیق، برای یک پدیده فیزیکی مرتبط با جریان سیال، این ویژگی ها باید به طور همزمان در نظر گرفته شوند.

یک مدل ریاضی از حالت فیزیکی و یک روش عددی در یک ابزار نرم افزاری CFD برای تجزیه و تحلیل جریان سیال استفاده می‌شود.

به عنوان مثال، معادلات ناویر-استوکس (N-S) و انتگرال‌گیری‌ها، گسسته‌سازی‌ها و معادلات دیفرانسیلی و جبری در این روند دخیل هستند. ساختار اصلی بررسی حرارتی سیالات بر اساس قانون بقای خواص فیزیکی سیال است که شامل موارد زیر می‌باشد:

• • بقای جرم: معادله تداوم

• • بقای حرکت: معادله مومنتوم و قانون دوم نیوتن

• • بقای انرژی: قانون اول ترمودینامیک یا معادله انرژی

مراحل استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی / CFD چیست؟

مراحل استفاده از نرم‌افزارهای دینامیک سیالات محاسباتی، از قبیل آباکوس، CFX، انسیس فلوئنت و… به ترتیب زیر انجام می‌شود:

1. 1. شناسایی مسئله و تعریف اهداف و دامنه آن

1. 1. پیش پردازش و ایجاد مدل هندسی مناسب و مش‌بندی مسئله

1. 1. پردازش و حل معادلات حاکم بر مسئله

1. 1. پس پردازش و استخراج داده‌های خروجی در قالب جداول و گزارش‌ها

1. 1. اعتبار سنجی نتایج

ّاستفاده از سرویس محاسبات سنگین ابر فردوسی

شرکت ابر فردوسی ارائه دهنده سرویس‌های ابری متنوع با بهترین قیمت و کیفیت است. از جمله این سرویس‌ها می‌توان به:

• • سرور ابری

• • سرور محاسبات سنگین

• • سرور گرافیکی

• • سرور ژوپیتر لب

• • سرور اختصاصی و…

اشاره کرد. به عنوان مثال می‌توانید از محاسبات سنگین این شرکت، برای کاربردهای مشابه در این مقاله بهره برد. جهت آشنایی و یا استفاده کلیک نمایید:

مطالب بیشتر