ديناميک سيالات محاسباتي يا CFD

Computational Fluid Dynamic

شامل انالیز  جريان سيال، انتقال حرارت و پديده هاي دو فازی ،واکنشهاي شيميايي و فیزیکی بر اساس شبيه سازي کامپيوتري است.نرم افزار انسیس فلوئنت یکی از نرم افزار های زیر شاخه در این زمینه می باشد

دینامیک سیالات محاسباتی تحلیلگر بسیار قوی  برای بررسی مسایل صنعتی و غیر صنعتی در حوزه سیال و حرارت می باشد.

برخی از کاربرد های ان شامل موارد دیل می باشد.

• محسابات نیروی لیفت ، درگ، تراست و… در وسایل پرنده و نقلیه
• هيدروديناميک کشتي­ها.
• بررسی احتراق و روش های خنک کاری در توربين­هاي گاز.
• تحلیل سیستم های روتاری یا دوار در توربو ماشین
• تحلیل خنک ­کاري دستگاه­هايي که داراي مدارهايبرقی و الکترونیکی هستند.
• مهندسي فرايند شيمي: اختلاط، جداسازي، شکل گيري پليمر.
• تحلیل وسایل گرمایش و سرمایش درزمینه تهویه مطبوع
• توزيع و بررسی متراژ آلودگي و ناکس ئر کارخانه جات و برج خنک کننده ها
• بررسی و تحلیل کانال رو باز ،جريان­هاي درون رودخانه ­ها،  و اقيانوس­ها
• تحلیل جريان خون عبوري از سرخرگ­ها و سياهرگ­هاو  اندام های بدن

مزیت استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی :

CFD در طراحي سيستم­هاي سيالاتي چند مزيت منحصر به فرد نسبت به روش­هاي تجربي دارا مي باشد:

• کاهش اساسي در زمان و قيمت طراحي­هاي جديد.
• توانايي مطالعه سيستم­هائي که انجام آزمايشات کنترل شده روي آن­ها مشکل و يا غيرممکن مي­باشد. (نظير سيستم­هاي خيلي بزرگ)
• توانايي مطالعه سيستم­ها، تحت شرايط تصادفي و بالاتر از حدود معمول آن­ها (نظير مطالعات مطمئن و موضوعات تصادفي).
• عملاً سطح جزئيات نامحدود ميباشد.

يک برنامه CFD  چگونه کار مي کند؟

اساس و شالوده دینامی سیالات محاسباتی بر پایه روش عددي می باشد.

شامل سه جز اصلي مي­باشند:

(i)پيش پردازنده.

(ii) حل­گر.

(iii)پس پردازنده.

بطور خلاصه وظيفه هر يک از اين اجزا را در درون يک برنامه CFD مورد بررسي قرار مي­دهيم.

پيش پردازنده :

پيش پردازنده عبارتست از ورودي مساله جريان به يک برنامه CFD. با استفاده از يک واسطه عملگر ساده و سپس تبديل اين ورودي به يک شکل مناسب براي استفاده توسط حلگر

وظايف کاربر در مرحله پيش پردازنده شامل موارد زير است:

• تعريف هندسه ناحيه مورد نظر: ميدان محاسباتي.
• توليد شبکه يا تقسيم بخش­هاي کوچک به نواحي کوچکتر، بدون هم­پوشاني (روي هم قرار گرفتن) .
• زير محدوده ­ها: شبکه (يا مش) سلول­ها (يا حجم­هاي کنترل يا عناصر).
• انتخاب مجموعه پديده­هاي فيزيکي و شيميايي که بايد مدل شوند.
• تعريف خواص سيال.
• تشخيص و تعريف شرايط مرزي لازم در سلول­هايي که منطبق و يا در تماس با مرز محدوده مي­باشند.

حل يک مساله جريان (سرعت، فشار، دما و غيره) در گره­هاي داخلي هر سلول صورت مي­گيرد.دقت مربوط به يک حل CFD از تعداد سلول­هاي موجود در شبکه  مش پيروي مي­کند. در حالت کلي، تعداد سلول­هاي زياد داراي دقت حل بهتري مي ­باشد. دقت حل، قيمت، همچنين سخت­ افزار محاسباتي مورد نياز و زمان محاسبه بستگي به ظرافت شبکه مش دارند.

حلگر:

سه روش مجزا براي روش­هاي حل عددي وجود دار.

1. اختلاف محدود.
2. عناصر محدود.
3. روش­هاي طيفي.

روش­هاي حل عددي که پايه حل ­کننده را تشکيل مي­دهد به شرح زير است.

• تقريب متغيرهاي مجهول جريان، با استفاده از توابع ساده.
• گسسته سازي با استفاده از جايگذاري تقريب در معادلات حاکم بر جريان و سپس انجام تغييرات رياضي.
• حل معادلات جبري.

تفاوت­هاي اصلي ميان سه روش مجزا وجود دارد. اين تفاوت­ها به روشي که در آن متغيرهاي جريان تقريب مي­خورد و فرايند گسسته­ سازي صورت مي­گيرد مربوط مي­شوند.

پس پردازنده:

مانند پيش پردازنده،  مقدار زيادي از کار در محيط پس پردازنده صورت مي­گيرد. بدليل افزايش تنوع نيازهاي مهندسي، بسياري از آن­ها داراي توانايي­هاي ترسيمي بالايي هستند. راهنماي بسته­ هاي CFD در حال حاضر با ابزارهاي مجسم سازي مجهز شده­ اند که عبارت.ند از :

• نمايش ميدان هندسي و شبکه
• ترسيمات بردارو کانتور
• ترسيمات خط و سايه هم تراز
• ترسيمات سطح دو بعدي و سه بعدي
• مسير حرکت ذره
• نمايش دستي (انتقال، چرخش، مقياس دادن و غيره)
• خروج نتايج بصورت رنگي

این ابزارها هم­چنين شامل متحرک سازي نمايش نتايج مي ­باشند .و علاوه بر ترسيم تمام برنامه­ ها خروجي را بصورت علائم قابل فهم براي برنامه ­هاي ديگر ارائه مي­دهند. و داراي ابزار انتقال داده­ ها براي دستکاري بيشتر در خارج از برنامه مي­ باشند.

نکات مهمی که باید در مورد دینامیک سیالات محاسباتی و انسیس فلوئنت بدانید

محاسبه CFD احتياج به مهارت­هاي استفاده کننده دارد. تعيين هندسه ميدان و طراحي شبکه وظيفه اصلي در وهله اول مي­باشد که منجر به شبيه سازي مناسبي براي کاربر مي­شود. اين دو وجه که اين نتايج را مي­دهند عبارتند از همگرايي فرايند تکرار و استقلال شبکه. حل همگرا مي­تواند با يک انتخاب مناسب و تنظيم ضرایب راحتي مختلف و ابزار شتاب دهنده صورت گيرد.

هيچ روش مناسبي براي بدست آوردن اين انتخاب­ها که وابسته به مسائل هستند وجود ندارد. بهبود سرعت حل نياز به تجربه زياد کار با برنامه دارد، که مي­تواند فقط با استفاده وسيع حاصل شود. راهي جهت تخمين خطاي حاصل از طراحي شبکه نامناسب براي جريان عمومي معرفي نشده است. طرح اوليه خوب براي شبکه نياز به اطلاع از خواص جريان دارد. يک شناخت اوليه از ديناميک سيال در يک مساله خاص بخوبي مي­تواند ما را کمک کند و تجربه شبکه بندي مربوط به مسائل مشابه نيز با ارزش است.

تنها راه حذف خطاهاي ناشي از درشتي شبکه، انجام مطالعات مربوط به شبکه است که عبارتست از بهبود اوليه يک شبکه درشت تا رسيدن به مرحله­اي که نتايج کليدي تغيير نکنند.

آنگاه شبيه سازي مستقل از شبکه خواهد بود. يک تحقيق اصولي براي نتايج مستقل از شبکه ، يک قسمت ضروري از تمام مطالعات با کيفيت بالاي CFD را تشکيل مي­دهد.

اعتبارسنجی چیست؟؟؟

تشخيص اعتبار مدل­هاي فيزيکي و شيميايي بسته به پيچيدگي برنامه CFD و يا دقت نتايج نهايي آن به هر دليل، جز مقايسه با نتايج عملي، غيرممکن مي­باشد. هرکس که مي­خواهد از CFD بطور جدي استفاده کند، بايد بداند که اين روش نمي­تواند جانشين آزمايش گردد ولي يک ابزاربسیار پر قدرت براي حل مسائل مختلف است.

بررسي اعتبارCFD نيازمند اطلاعات بالا در جزئيات مربوط به شرايط مرزي مساله و بدست آوردن حجم بالايي از نتايج است.

تشخيص اعتبار مدل­هاي فيزيکي و شيميايي بسته به پيچيدگي برنامه CFD و يا دقت نتايج نهايي آن به هر دليل، جز مقايسه با نتايج عملي، غيرممکن مي­باشد. هرکس که مي­خواهد از CFD بطور جدي استفاده کند، بايد بداند که اين روش نمي­تواند جانشين آزمايش گردد ولي يک ابزاربسیار پر قدرت براي حل مسائل مختلف است.

بررسي اعتبارCFD نيازمند اطلاعات بالا در جزئيات مربوط به شرايط مرزي مساله و بدست آوردن حجم بالايي از نتايج است.