دینامیک سیالات محاسباتی CFD

دینامیک سیالات محاسباتی  (Computational Fluid Dynamics) یا CFD روشی برای شبیه سازی و تحلیل مسائل سیالات و در واقع هنر پیش بینی رفتار جریان سیال است. در گذشته برای طراحی و نهایتا تولید یک محصول تنها بر تست های آزمایشگاهی و فیزیکی و محاسبات دستی تکیه می شد. اما با افزایش پیچیدگی های طراحی و رقابت برای کاهش هزینه ها امروزه مدل سازی و شبیه سازی فرآیند ها به طور گسترده در زمینه های مختلف مورد استفاده قرار می گیرد.

 

 

مزایای استفاده از : CFD

  • CFD روشی به نسبت ارزان در مقایسه با روش های تجربی است که با افزایش قدرت کامپیوترها می تواند هزینه های زمانی را کاهش دهد.
  • قابلیت پیش بینی پیامدهای طراحی و تست حالت های مختلف طراحی را به منظور بهینه سازی محصول، قبل از ساخت و تست فیزیکی نمونه اولیه را فراهم می کند.
  • اطلاعات جامع رفتار جریان سیال را در دقت های متناسب با نیاز کاربر فراهم می کند.
  • تحلیل مدل هایی که به سادگی قابل آزمایش نیستند را مانند انتقال حرارت در جریان مافوق صوت ممکن می سازد.
  • خطای اندازه گیری در شبیه سازی وجود ندارد.

 

محدودیت های استفاده از : CFD

  • توان محاسبات به طور مستقیم وابسته به توان سخت افزاری است.
  • خطای خطی سازی و گرد کردن در نتایج محاسبات وجود دارد.
  • دقت نتایج وابسته به دقت جزییات شبیه سازی است. (مانند مدل های توربولانس، مدل های جریان چند فازی، روش های گسسته سازی و …)

 

نهایتا می توان نتیجه گرفت که استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی CFD مکمل روش های تجربی است.

 

روش المان (اجزاء) محدود (Finite Element Method or FEM)

روش اجزاء محدود، با الگوریتم های عددی پاسخ معادلات دیفرانسیل و انتگرال‌های پیچیده را تقریب‌ می‌زند. کاربرد عملی این روش با نام تحلیل المان محدود (Finite Element Analysis or FEA)شناخته شده است. اساس کار این روش حذف کامل معادلات دیفرانسیل یا ساده‌سازی آن‌ها به معادلات دیفرانسیل معمولی و حل آن‌ها با روش‌های عددی است.

به عنوان مثال نرم‌افزار های مهندسی آباکوس  (Abaqus) و کامسول  (COMSOL Multiphysics) از این روش برای حل معادلات استفاده می‌کنند.

 

 

روش حجم محدود (Finite Volume Method or FVM)

روش حجم محدود در واقع نوعی از روش اجزاء محدود است که در آن معادلات عمومی بقا (بقای جرم ، بقای اندازه‌ حرکت و بقای انرژی) در شکل انتگرالی استفاده می‌شوند. محدوده‌ی حل به تعداد معینی حجم کنترل مجاور‌ هم تقسیم شده و معادلات در آن محدوده حل می‌گردند. کمیت‌ها در مرکز گره‌ها محاسبه شده و برای بدست آوردن مقادیر روی سطوح باید میانیابی انجام‌گیرد. روش حجم محدود برای تمام هندسه ها از‌جمله هندسه‌های پیچیده کاربرد دارد. این روش بیشتر برای حل مسائل دینامیک سیالات محاسباتی و انتقال حرارت مناسب است.

به عنوان مثال نرم افزار فلوئنت  (Fluent) از این روش استفاده می‌کند.

 

مراحل حل CFD:

به طور کلی مراحل حل یک مسئله به روش دینامیک سیالات محاسباتی یا CFD  به شرح زیر است :

–         شناسایی مسئله (Problem Identification):

  • تعریف اهداف حل مسئله
  • مشخص کردن دامنه (ناحیه) حل

–          پیش پردازش (Pre Process)

  • ایجاد مدل هندسی مناسب از مسئله
  • ایجاد شبکه (مش) مناسب روی دامنه‌ی محاسباتی
  • تعیین فیزیک و شرایط اولیه و مرزی مناسب
  • انتخاب حلگر و روش گسسته سازی مناسب
  • پردازش (Processing):
  • حل معادلات حاکم بر مسئله
  • پس پردازش (Post Process):
  • استخراج داده‌های خروجی در قالب جداول ، گزارش ها و …
  • اعتبار سنجی نتایج (Validation)
  • تحلیل نتایج به وسیله رسم نمودارها ، کانتور ها و …

لازم به ذکر است که مراحل بالا باید بار ها و بار ها تکرار شوند ، نتایج بررسی و تحلیل شوند و در هر تکرار در مرحله‌ی پیش پردازش تجدید نظر و اصلاح صورت گیرد تا به پاسخ قابل استنادی دست یابیم.

هندسه (Geometry):

مدل ساده شده ای از مسئله اصلی است که در یکی از نرم افزارهای مدل سازی تولید شده و هر یک از نرم افزارهای تولید شبکه آن را به عنوان دامنه حل می شناسد و می تواند شبکه حل را در آن ناحیه ایجاد کند. نرم افزارهای CATIA ، Solidworks  Gambit و … برای این منظور استفاده می شود.

 

شبکه یا مش (Mesh):

معادلات دیفرانسیل جزئی که جریان سیال و انتقال حرارت تابع آن هستند به جز در موارد ساده معمولا به راه حل های تحلیلی منجر نمی شوند. در نتیجه به منظور تحلیل جریان سیال، دامنه های جریان به زیر دامنه های کوچکتر تقسیم می شوند ( که از اشکال هندسی اولیه مانند مکعب مستطیل، مکعب، هرم در سه بعدی و چهار ضلعی و مثلث در دو بعدی تشکیل شده است)

معادلات حاکم سپس در مرکز هر یک از این زیر دامنه ها حل می شوند و در مرزهای بین این مراکز درون یابی می شوند.

 

مدل فیزیکی (Physical Model):

با توجه به شرایط مسئله مدل های فیزیکی مختلفی انتخاب و معادلات مربوط به آن حل می گردد. مانند توربولانس، انتقال حرارت (معادله انرژی)، جریان های چند فازی و … .

شرایط اولیه (Initial Condition):

مقداردهی اولیه مراکز سلول ها برای شروع محاسبات ، که این مقدار دهی می تواند تاثیر زیادی بر زمان همگرایی حل بگذارد.

 

شرایط مرزی (Boundary Condition):

شرایط مرزی، متغیرهای حرارتی و جریان سیال را روی مرزهای دامنه محاسباتی مشخص می کند. بنابراین تعیین شرایط مرزی یک موضوع حساس در شبیه سازی عددی جریان سیال بوده و تعریف مناسب آن از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است.

 

انتخاب حلگر (Solver Selection):

با توجه به فیزیک و شرایط مسئله حلگر مبتنی بر فشار یا چگالی انتخاب می گردد و سپس برای گسسته سازی و میان یابی معادلات روش های مختلف انتخاب می گردد.  نرم افزارهای Fluent، CFX ، Comsol ، OpenFOAM و … برای این منظور استفاده می شود.

حل معادلات حاکم بر مسئله:

معادلات حاکم بر مسئله با روش تکرار حل می شوند. این تکرار تا زمانی ادامه می یابد که اختلاف نتایج حل در مرحله i  و i-1 به کمتر از مقداری که کاربر مشخص می کند برسد.

پس پردازش(Post Process):

در این قسمت نتایج حل از قسمت قبل به هندسه طرح شده نسبت داده می شود به طوری که برای کاربر قابل فهم باشد. این نتایج شامل نمودار، کانتور و … می باشد که با نرم افزارهای Tecplot و CFD-Post و … قابل استخراج است.

منابع:

– مکانیک شاره ها و انتقال گرمای محاسباتی جلد اول ترجمه دکتر ابراهیم شیرانی، انتشارات دانشگاه صنعتی اصفهان

– دینامیک سیالات محاسباتی برای مهندسان جلد اول ترجمه دکتر احمدرضا عظیمیان، انتشارات دانشگاه صنعتی اصفهان

–  مقاله شرایط مرزی و پارمترهای آشفتگی در نرم افزار Fluent ، گروه سیالات محاسباتی دانشگاه صنعتی اصفهان

– Introduction to the CFD methodology, ANSYS-Fluent

 

نویسندگان:

linkedin مهندس محمدرضا دشت بالی

linkedin مهندس رضا شریفی

0 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

Want to join the discussion?
Feel free to contribute!

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *