مدل سازی دینامیک سیالات محاسباتی بر اساس اصول مکانیک سیالاتی بوده که با استفاده از روش های عددی و الگوریتم های ریاضی برای حل مسائلی که شامل جریان سیالات هستند استفاده میگردد. مدل ها می توانند واکنش های شیمیایی فرآیندهای احتراق را با جریان سیال ادغام کنند تا درک سه بعدی از عملکرد دیگ بخار را فراهم کنند.
مدلهای CFD سعی در شبیه سازی سیالات اعم از مایعات و گازها در اطراف یا داخل هندسه های مختلف(ساده و پیچیده) بر میباشند که معمولا شرایط مرز میدان حل (میدان و ناحیه ای که سیال در آن در حال حرکت است) توسط شرایط مرزی تعریف می شود. معادلات حاکم بر حرکت سیال بر اساس معالات دیفرانسیلی غیر خطی بقای جرم، بقای ممنتوم (معادلاتNavier-Stokes) و بقای انرژی بوده که این مدل ها با استفاده از روشهای عددی در حالت پایدار یا گذار حل میگردند.
چرا باید از CFD استفاده کرد؟
تجزیه و تحلیل CFD پتانسیل زیادی برای صرفه جویی در زمان در فرآیند طراحی دارد. بنابراین در مقایسه با روشهای آزمایشگاهی مرسوم ارزان تر و سریعتر است. علاوه بر این ، در روش تجربی و آزمایشگاهی، انجام آزمون ها دارای محدودیت هایی نظیر هندسه های مقیاس شده و با ساده سازی های بسیار و در یک زمان اندازه گیری محدود می باشد. در حالی که در یک تجزیه و تحلیل CFD می توان همه مقادیر مورد نظر را همزمان و با دقت بالا در مکان و زمان اندازه گیری کرد.
از آنجا که تجزیه و تحلیل CFD تقریبی یک راه حل فیزیکی واقعی است ، باید توجه داشته باشید که این تجزیه و تحلیل CFD نمی تواند به طور کامل روش های آزمایش فیزیکی را حذف کند. برای راستی آزمایی و اعتبار سنجی هنوز باید آزمایش فیزیکی انجام شود.
CFD چگونه کار می کند؟
تجزیه و تحلیل CFD اساساً شامل سه مرحله زیر است:
پیش پردازش
در این مرحله ، بیان مسئله به یک مدل رایانه ای ایده آل و گسسته تبدیل می شود. در مورد نوع جریانی که باید مدل سازی شود (لزج / غیر لزج ، تراکم پذیر / تراکم ناپذیر ، پایدار / ناپایدار) فرضیاتی ارائه می شود. فرآیندهای دیگر شامل تولید مش و استفاده از شرایط اولیه و مرزی است.
حل و شبیه سازی عددی
محاسبات واقعی توسط موتور حل که همان روش عددی حل و شبیه سازی است، انجام می شود و در این مرحله حل به قدرت محاسباتی نیاز است. امروزه روش های عددی متعددی در نرم افزارهای مختلف شبیه سازی CFD بکار گرفته میشود که بر اساس نوع هندسه، نوع جریان و غیره میتواند هر کدام از این روشهای عددی و نرم افزارهای مربوط دقت بالاتر و بهتری داشته باشد.
پس پردازش
سرانجام ، نتایج بدست آمده در مرحله پردازش پس از تجسم، تجزیه و تحلیل می شوند. در این مرحله تحلیلگر می تواند نتایج را تأیید کرده و بر اساس نتایج بدست آمده نتیجه گیری کند. روشهای ارائه نتایج بدست آمده به عنوان مثال تصاویر ثابت ، متحرک ، نمودارها یا جداول است. حال به بررسی چند نمونه بپردازیم.
شبیه سازی CFD جهت جلوگیری از کاویتاسیون
کاویتاسیون وقتی رخ میدهد که فشار در یک قسمت از سیال به زیر نقطه فشار اشباع رسیده و حباب هایی از بخار در این قسمت ظاهر میشود. این حباب های ریز وقتی به جسمی (مانند پره های پمپ، توربین یا پروانه های کشتی) برخورد میکند، به مرور باعث آسیب، خوردگی و شکستگی میشود.
کاویتاسیون یک مسئله مهم در دینامیک سیالات است که دامنه وسیعی از حوزه های مهندسی را تحت تأثیر قرار می دهد.
در طی آزمون تجربی تحلیل تنش و نیروی ناشی از برخورد حبابهای ریز مثلا با پروانه کشتی، بسیار پیچیده میباشد. زیر این آسیب تدریجی بوده و تا زمانی که به آستانه بحرانی نرسد هیچ اثر واضحی نشان نمی دهد.
به عنوان مثال ، یک روش در آزمون تجربی، بمنظور بررسی شروع و رخداد آسیب کاویتاسیون در پروانه کشتی، استفاده از ابزارهایی برای اندازه گیری ارتعاشات و صدا ناشی از شروع پدیده کاویتاسیون است. اما اکثر این ابزارها حساسیت کافی برای اندازه گیری دقیق این نوع آسیب ندارند.
با این حال ، شبیه سازی کاویتاسیون از طریق CFD می تواند به مهندسان در جهت تعیین زمان و مکان دقیق رخداد کاویتاسیون کمک کند. امری که در اندازه گیری آنها در دنیای فیزیکی دشوار است. همچنین میتوان در همین راستا، طرحهایی جایگزین برای بهبود انعطاف پذیری و افزایش دوام و ایمنی، را معرفی و پیشنهاد داد.
شبیه سازی موتورهای دوار با استفاده از CFD
ماشین آلات و اجزاء دوار مانند کمپرسورها ، پمپ های بخار ، توربین های گازی یک مورد مشترک دارند: حرکت دوار موجب تولید نیرو و تنشی میشود که بر سازه تأثیر می گذارد.
یکی از اصولی ترین کارها در طراحی و ساخت موتورهای دوار، استفاده از مواد آب بند و هوابند بمنظور کاهش و رفع نشتی میباشد. در صورت گذر بخار یا هوا از مواد آب بند و هوابند، یک نیروی محرکه ایجاد شده که منجر به لرزش و ناپایداری روتور می شود.
آنچه در اینجا ضروری است ، تعیین حد تحمل نیروی دینامیکی مربوط است که رتور باید آن را بدون ایجاد لرزش تحمل نماید.
بار دیگر ، به جای سرمایه گذاری در نمونه سازی ثابت و آزمایشات تجربی تنش فیزیکی ، می توان از شبیه سازی CFD برای آزمایش انواع متغیرهای طراحی برای یافتن ایده آل ترین طراحی ساخت ماشین آلات دوار استفاده کرد.
شبیه سازی CFD برای جریان آرام و جریان توربولانس(جریان آشفته)
توربولانس، حرکت شدید ناگهانی هوا ، آب یا سایر مایعات است. این یکی از فاجعه بارترین و غیر قابل پیش بینی ترین پدیده های جوی است که خلبانان با آن روبرو هستند. در حقیقت آشفتگی شدید باعث می شود خلبانان هواپیمایی نتوانند هواپیمای خود را کنترل کنند و حتی ممکن است صدمات جدی به مسافران وارد کند.
در شبیه سازی های CFD از مدلهای توربولانسی برای تحلیل و تخمین اثر تلاطم بر روی انواع سازه های طراحی شده با نرم افزارهایی نظیر AutoCAD استفاده می شود.
یکی از متداول ترین مدل ها برای شبیه سازی جریان توربولانسی استفاده از معادلات کمکی یا معادلات توربولانسی است. که این معادلات که کنار معادلات ناویر استوکس قرار گرفته و منجر به حل دقیق جریان های توربولانسی میشوند. امروزه معادلات کمکی توربولانسی و روشهای عددی مختلفی بمنظور تحلیل دقیق جریان آشفته معرفی شده اند که در نرم افزارهای مختلف CFD نیز از انها استفاده میشود.
برنامه های CFD در سیستم گرمایش ، تهویه هوا و تهویه HVAC
سیستم های تهویه مطبوع علی رغم اینکه یکی از موارد نادیده گرفته شده در زندگی روزمره ما هستند، هوای آسایشی(دارای شرایط دماف رطوبت و سرعت مناسب) را بوجود آورده و آن را از طریق کانالها و پایانه هایی به داخل منازل و دفاتر ما پمپاژ و تهویه می کنند. میزان انرژی صرف شده برای ایجاد این هوای آسایشی و همچنین رساندن آن تا پایانه هایی که این هوا را در فضای مربوط منتشر میکنند، نیاز به محاسبات مهندسی دقیقی دارد.
دستگاهها و سیستمهای تهویه مطبوعی بمنظور تهویه هوا جهت تداوم جریان هوا در فضای اتاق و اطمینان از کیفیت بالای هوای داخلی IAO، باید از CFD بهره ببرند.
انتخاب صحیح دریچه ها و پایانه های توزیع هوا، طراحی و انتخاب دقیق سیستم و اجزای کانال کشی هوا و نهایتا سیستمهای انتخاب دقیق اجزاء مختلف هواساز معمولاً نیاز به آزمایشات تجربی دقیق دارند تا بتوان از گردش و توزیع مناسب هوا در فضاهای مختلف و مطابق استانداردهای AIQ اطمینان حاصل کرد.
به همین ترتیب ، بسیاری از تولیدکنندگان تجهیزات HVAC برای سرعت بخشیدن به نمونه سازی و اعتبارسنجی طرح های جدید ، به شبیه سازی CFD روی آورده اند. شبیه سازی CFD به مهندسان اجازه می دهد تا عملکرد بالقوه محصولات خود را در فضاهای مختلف و در پیکربندی های مختلف تجزیه و تحلیل کنند.
