طراحی و بهینه‌سازی سیستم‌های مختلف مکانیکی، نیازمند انجام آزمایش‌ها و تست‌های مختلف است. این آزمایش‌ها و طراحی‌های مجددی که در پی دارند، معمولا بسیار پرهزینه و زمان‌بر هستند و فرایند طراحی و ساخت را با چالش‌های زیادی رو به رو می‌کنند. به همین دلیل، به مرور و با بهبود توان محاسباتی کامپیوترها، تمایل مهندسان برای شبیه‌سازی فرایند‌های مختلف مکانیکی افزایش پیدا کرد. برای مثال شبیه‌سازی میدان جریان سیال را با استفاده از علم «دینامیک سیالات محاسباتی» (Computational Fluid Dynamic) انجام می‌دهند.
این مطلب ابتدا به صورت دقیق مفاهیم پایه و ضروری موجود در دینامیک سیالات محاسباتی را مورد بررسی قرار می‌دهد. در ادامه، تاریخچه این علم به صورت مختصر بیان می‌شود و پیشرفت‌هایی که به مرور در دینامیک سیالات محاسباتی شکل گرفته، مورد مطالعه قرار می‌گیرند. سپس معادلات حاکم بر جریان سیال مانند معادله پیوستگی، ناویراستکوس و انرژی بیان می‌شوند. در ادامه روند کلی یک حل عددی درست، مورد بررسی قرار می‌گیرد و کاربرد معادلات دیفرانسیل با مشتقات جزئی در دینامیک سیالات محاسباتی بیان می‌شود. سپس شیوه گسسته سازی معادلات، پارامترهای مهم برای انتخاب یک شبکه مطلوب و نحوه تولید شبکه مورد مطالعه قرار می‌گیرد. در ادامه مطلب نحوه رسیدن به یک حل مستقل از شبکه و همگرایی درست بیان می‌شود و در انتهای مطلب نیز به صورت مختصر، انواع نرم‌افزارهای دینامیک سیالات محاسباتی، ویژگی‌های آنها و روش‌های مختلف انجام حل عددی در آنها مانند روش تفاضل محدود و روش حجم محدود مورد مطالعه قرار می‌گیرد. البته روش‌هایی همچون تابع جریان نیز در سیالات وجود دارد که با استفاده از آن می‌توان به صورت تحلیلی یک جریان را تحلیل کرد.
دینامیک سیالات محاسباتی چیست؟
همانطور که می‌دانید یکی از اهداف مهمی که مهندسان به دنبال آن هستند، بهبود طراحی و افزایش بازده سیستم‌های مختلف است. برای مثال علم آیرودینامیک مهم‌ترین نقش را در طراحی و ساخت یک ماشین مسابقه جدید ایفا می‌کند. اما یافتن مقادیر بهینه مختلف در طول یک فرایند آزمایشگاهی در علم آیرودینامیک کار بسیار پیچیده‌ای است و چالش‌های مختلفی را همراه خود دارد و معمولا تنها راه مهندسان برای بهینه‌سازی طراحی‌های خود این است که آزمایش‌های مختلف آیرودینامیکی را در تونل روی نمونه‌های اولیه خود انجام دهند.
بهبود سیستم‌های کامپیوتری و افزایش توان محاسباتی آنها، دینامیک سیالات محاسباتی را به یکی از پر کاربردترین ابزارها برای انجام محاسبات و شبیه‌سازی‌های مهندسی در زمینه مکانیک سیالات تبدیل کرده است. دینامیک سیالات محاسباتی را به صورت اختصاری با نام «سی اف دی» (CFD) نیز نمایش می‌دهند. به طور کلی می‌توان اشاره کرد که برای انجام یک شبیه‌سازی درست CFD، داشتن اطلاعات کافی در سه زمینه مختلف، الزامی است. این سه مورد عبارتند از:
یک شبیه‌سازی سی اف دی به بررسی پارامترهای مختلف سیال مانند سرعت، فشار، دما، چگالی و ویسکوزیته می‌پردازد و برای آن که یک پاسخ با دقت بالا برای یک جریان سیال به دست بیاید، باید پارامترهای مختلف سیال که در بالا معرفی شدند، به ترتیب محاسبه شوند.
مراحل مختلف شبیه‌سازی جریان سیال این است که ابتدا یک مدل ریاضی برای پدیده فیزیکی ارائه می‌شود و در ادامه با استفاده از یک روش عددی و نرم‌افزاری خاص به انجام محاسبات و به دست آوردن پارامترهای مختلف جریان سیال پرداخته می‌شود. برای مثال،معادلات ناویر استوکس (Navier-Stokes Equations) به عنوان مدل ریاضی برای پدیده فیزیکی ما به حساب می‌آیند. در واقع با انجام این محاسبات، تغییرات خواص فیزیکی مختلف یک سیال هنگام انتقال حرارت و جریان سیال، قابل توصیف خواهد بود.
مدل ریاضی که در بالا به آن اشاره شد، با توجه به حالات مختلف مسئله مورد نظر تغییر می‌کند. حالات مختلف یک مسئله می‌تواند شامل انتقال حرارت، انتقال جرم، تغییر فاز، واکنش شیمیایی و سایر موارد موجود در علم مکانیک سیالات باشد.
یکی از چالش‌های اساسی که در شبیه‌سازی جریان سیال به کمک دینامیک سیالات محاسباتی وجود دارد، قابل اعتبار بودن نتایج است که این موضوع به ساختار کلی فرایند شبیه‌سازی بستگی دارد. در واقع «صحه‌گذاری» (Verification) یا صحت سنجی مدل ریاضی استفاده شده اهمیت بسیار زیادی در مسیر شبیه‌سازی مسئله مورد نظر دارد. در کنار مدل ریاضی، انتخاب درست روش عددی در مسیر حل مسئله، اهمیت بسیار زیادی دارد.
موضوع دیگری که در دینامیک سیالات محاسباتی اهمیت بسیار زیادی دارد، انتخاب درست نرم افزاری است که محاسبات به کمک آن انجام می‌شود. انتخاب نادرست نرم‌افزار می‌تواند دقت نتایج حاصل را تحت تاثیر خود قرار بدهد. شکل زیر خطوط جریان اطراف یک اتومبیل فرمول وان را به تصویر کشیده است. در واقع دینامیک سیالات محاسباتی می‌تواند این اطلاعات را بدون انجام تست‌های تونل باد در اختیار مهندسان قرار بدهد.
گروه آموزشی مدیادرس، به منظور توسعه آموزش و دسترسی برابر برای کلیه دانشجویان ایرانی، اقدام به تهیه فیلم های آموزشی ارزنده ای برای تشریح معادلات حاکم بر دینامیک سیالات محاسباتی و نحوه گسسته سازی آنها و همچنین نحوه حل معادلات بیضوی، سهموی و هذلولی و در نهایت کد نویسی آنها با زبان فرترن نموده است.
این مطلب ابتدا به صورت دقیق مفاهیم پایه و ضروری موجود در دینامیک سیالات محاسباتی را مورد بررسی قرار می‌دهد. در ادامه، تاریخچه این علم به صورت مختصر بیان می‌شود و پیشرفت‌هایی که به مرور در دینامیک سیالات محاسباتی شکل گرفته، مورد مطالعه قرار می‌گیرند. سپس معادلات حاکم بر جریان سیال مانند معادله پیوستگی، ناویراستکوس و انرژی بیان می‌شوند. در ادامه روند کلی یک حل عددی درست، مورد بررسی قرار می‌گیرد و کاربرد معادلات دیفرانسیل با مشتقات جزئی در دینامیک سیالات محاسباتی بیان می‌شود. سپس شیوه گسسته سازی معادلات، پارامترهای مهم برای انتخاب یک شبکه مطلوب و نحوه تولید شبکه مورد مطالعه قرار می‌گیرد. در ادامه مطلب نحوه رسیدن به یک حل مستقل از شبکه و همگرایی درست بیان می‌شود و در انتهای مطلب نیز به صورت مختصر، انواع نرم‌افزارهای دینامیک سیالات محاسباتی، ویژگی‌های آنها و روش‌های مختلف انجام حل عددی در آنها مانند روش تفاضل محدود و روش حجم محدود مورد مطالعه قرار می‌گیرد. البته روش‌هایی همچون تابع جریان نیز در سیالات وجود دارد که با استفاده از آن می‌توان به صورت تحلیلی یک جریان را تحلیل کرد.
دینامیک سیالات محاسباتی چیست؟
همانطور که می‌دانید یکی از اهداف مهمی که مهندسان به دنبال آن هستند، بهبود طراحی و افزایش بازده سیستم‌های مختلف است. برای مثال علم آیرودینامیک مهم‌ترین نقش را در طراحی و ساخت یک ماشین مسابقه جدید ایفا می‌کند. اما یافتن مقادیر بهینه مختلف در طول یک فرایند آزمایشگاهی در علم آیرودینامیک کار بسیار پیچیده‌ای است و چالش‌های مختلفی را همراه خود دارد و معمولا تنها راه مهندسان برای بهینه‌سازی طراحی‌های خود این است که آزمایش‌های مختلف آیرودینامیکی را در تونل روی نمونه‌های اولیه خود انجام دهند.
بهبود سیستم‌های کامپیوتری و افزایش توان محاسباتی آنها، دینامیک سیالات محاسباتی را به یکی از پر کاربردترین ابزارها برای انجام محاسبات و شبیه‌سازی‌های مهندسی در زمینه مکانیک سیالات تبدیل کرده است. دینامیک سیالات محاسباتی را به صورت اختصاری با نام «سی اف دی» (CFD) نیز نمایش می‌دهند. به طور کلی می‌توان اشاره کرد که برای انجام یک شبیه‌سازی درست CFD، داشتن اطلاعات کافی در سه زمینه مختلف، الزامی است. این سه مورد عبارتند از:
- سخت افزارها و منابع محاسباتی
- الگوریتم عددی
- معادلات دیفرانسیل با مشتقات جزئی
یک شبیه‌سازی سی اف دی به بررسی پارامترهای مختلف سیال مانند سرعت، فشار، دما، چگالی و ویسکوزیته می‌پردازد و برای آن که یک پاسخ با دقت بالا برای یک جریان سیال به دست بیاید، باید پارامترهای مختلف سیال که در بالا معرفی شدند، به ترتیب محاسبه شوند.
مراحل مختلف شبیه‌سازی جریان سیال این است که ابتدا یک مدل ریاضی برای پدیده فیزیکی ارائه می‌شود و در ادامه با استفاده از یک روش عددی و نرم‌افزاری خاص به انجام محاسبات و به دست آوردن پارامترهای مختلف جریان سیال پرداخته می‌شود. برای مثال،معادلات ناویر استوکس (Navier-Stokes Equations) به عنوان مدل ریاضی برای پدیده فیزیکی ما به حساب می‌آیند. در واقع با انجام این محاسبات، تغییرات خواص فیزیکی مختلف یک سیال هنگام انتقال حرارت و جریان سیال، قابل توصیف خواهد بود.
مدل ریاضی که در بالا به آن اشاره شد، با توجه به حالات مختلف مسئله مورد نظر تغییر می‌کند. حالات مختلف یک مسئله می‌تواند شامل انتقال حرارت، انتقال جرم، تغییر فاز، واکنش شیمیایی و سایر موارد موجود در علم مکانیک سیالات باشد.
یکی از چالش‌های اساسی که در شبیه‌سازی جریان سیال به کمک دینامیک سیالات محاسباتی وجود دارد، قابل اعتبار بودن نتایج است که این موضوع به ساختار کلی فرایند شبیه‌سازی بستگی دارد. در واقع «صحه‌گذاری» (Verification) یا صحت سنجی مدل ریاضی استفاده شده اهمیت بسیار زیادی در مسیر شبیه‌سازی مسئله مورد نظر دارد. در کنار مدل ریاضی، انتخاب درست روش عددی در مسیر حل مسئله، اهمیت بسیار زیادی دارد.
موضوع دیگری که در دینامیک سیالات محاسباتی اهمیت بسیار زیادی دارد، انتخاب درست نرم افزاری است که محاسبات به کمک آن انجام می‌شود. انتخاب نادرست نرم‌افزار می‌تواند دقت نتایج حاصل را تحت تاثیر خود قرار بدهد. شکل زیر خطوط جریان اطراف یک اتومبیل فرمول وان را به تصویر کشیده است. در واقع دینامیک سیالات محاسباتی می‌تواند این اطلاعات را بدون انجام تست‌های تونل باد در اختیار مهندسان قرار بدهد.
گروه آموزشی مدیادرس، به منظور توسعه آموزش و دسترسی برابر برای کلیه دانشجویان ایرانی، اقدام به تهیه فیلم های آموزشی ارزنده ای برای تشریح معادلات حاکم بر دینامیک سیالات محاسباتی و نحوه گسسته سازی آنها و همچنین نحوه حل معادلات بیضوی، سهموی و هذلولی و در نهایت کد نویسی آنها با زبان فرترن نموده است.