دینامیک سیالات محاسباتی Computational Fluid Dynamics

دینامیک محاسباتی سیّالات یا سی‌اِف‌دی Computational fluid dynamics (CFD) یکی از بزرگ‌ترین زمینه‌هایی‌ست که مکانیک قدیم را به علوم رایانه و توانمندی‌های نوین محاسباتی آن در نیمهٔ دوّم قرن بیستم و در سدهٔ جدید میلادی وصل می‌کند.

تاریخچه CFD

سرگذشت پیدایش و گسترش دینامیک محاسباتی سیّالات را نمی‌توان جدای از تاریخ اختراع، رواج، و تکامل کامپیوترهای ارقامی نقل کرد. تا حدود انتهای جنگ جهانی دوٌم، بیشتر شیوه‌های مربوط به حلّ مسائل دینامیک سیالات از طبیعتی تحلیلی یا تجربی برخوردار بود. همچون تمامی نوآوری‌های برجستهٔ علمی، در این مورد هم اشاره به زمان دقیق آغاز دینامیک محاسباتی سیّالات نامیسر است. در اغلب موارد، نخستین کار بااهمیت در این رشته را به ریچاردسون نسبت می‌دهند، که در سال ۱۹۱۰ (میلادی) محاسبات مربوط به نحوهٔ پخش تنش (stress distribution) در یک سد ساخته‌شده از مصالح بنّایی را به انجام رسانید.

در این کار ریچاردسون از روشی تازه موسوم به رهاسازی (relaxation) برای حلّ معادلهٔ لاپلاس استفاده نمود. او در این شیوهٔ حلّ عددی، داده‌های فراهم‌آمده از مرحلهٔ پیشین تکرار (iteration) را برای تازه‌سازی تمامی مقادیر مجهول در گام جدید به کار می‌گرفت.

توضیحات CFD

در این روش با تبدیل معادلات دیفرانسیل پاره‌ای حاکم بر سیالات به معادلات جبری امکان حل عددی این معادلات فراهم می‌شود. با تقسیم ناحیه مورد نظر برای تحلیل به المان‌های کوچک‌تر و اعمال شرایط مرزی برای گره‌های مرزی با اعمال تقریب‌هایی یک دستگاه معادلات خطی بدست می‌آید که با حل این دستگاه معادلات جبری، میدان سرعت، فشار و دما در ناحیه مورد نظر بدست می‌آید. با استفاده از نتایج بدست آمده از حل معادلات می‌توان برآیند نیروهای وارد بر سطوح، ضرایب برا و پسا و ضریب انتقال حرارت را محاسبه نمود.

در دینامیک محاسباتی سیّالات از روشها و الگوریتمهای مختلفی جهت رسیدن به جواب بهره می‌برند، ولی در تمامی موارد، دامنه مساله را به تعداد زیادی اجزاء کوچک تقسیم می‌کنند و برای هر یک از این اجزاء مساله را حل می‌کنند. پس از رسم یک ۱۰۰ ضلعی منتظم مشاهده خواهیم نمود که شکل حاصل مشابه دایره است. با افزایش تعداد اضلاع این شباهت بیشتر خواهد شد. در حقیقت این پدیده در مبحث سی‌اِف‌دی نیز مفهوم خواهد داشت.

روش‌های عددی مورد استفاده در سی‌اِف‌دی

• روش المان‌های محدود
• روش احجام محدود
• روش تفاضلات محدود
• روش‌های طیفی

در میان این روش‌ها روش احجام محدود دارای کاربرد بیشتری به خصوص در مدل سازی جریان‌های تراکم ناپذیر می‌باشد. بیشتر نرم‌افزارهای تجاری در زمینه دینامیک محاسباتی سیّالات نیز بر مبنای این روش بسط و توسعه یافته اند.

کاربردهای CFD

اکنون روش دینامیک محاسباتی سیالات جای خود را در میان روش‌های آزمایشگاهی و تحلیلی برای تحلیل مسائل سیالات و انتقال حرارت باز کرده‌است و استفاده از این روش‌ها برای انجام تحلیل‌های مهندسی امری عادی شده‌است.

دینامیک محاسباتی سیالات بصورت گسترده در زمینه‌های مختلف صنعتی مرتبط با سیالات، انتقال حرارت و انتقال مواد به کمک سیال بکار گرفته می‌شود. از جمله این موارد می‌توان به صنایع خودروسازی، صنایع هوافضا، توربوماشین‌ها، صنایع هسته‌ای، صنایع نظامی، صنایع نفت و گاز و انرژی و بسیاری موارد گسترده صنعتی دیگر اشاره نمود که دانش دینامیک محاسباتی سیالات به عنوان گره گشای مسائل صنعتی مرتبط تبدیل شده است.

مراکز تحقیقاتی و آموزشی CFD

علیرغم اینکه قدمت روش دینامیک سیالات محاسباتی در دنیا چندان زیاد نیست، این شاخه از علم در ایران و در سالهای اخیر، رشد بسیار خوبی داشته است. جای گرفتن این مبحث در قالب چندین واحد درسی در مقاطع کارشناسی ارشد، دکتری و حتی کارشناسی به خوبی بیانگر میزان توجه و آینده روشن آن در کشور است. علاوه بر دروس آکادمیک ارائه شده در دانشگاه ها، مراکز زیادی نیز به صورت حرفه ای و نیمه حرفه ای در این زمینه شروع به فعالیت کرده اند. این مراکز به دو دسته آموزشی (آموزش مبانی CFD، کدنویسی و برنامه نویسی، آموزش نرم‌افزارهای مرتبط) و تحقیقاتی ( انجام پروژه‌های علمی و صنعتی، توسعه روشهای عددی در دینامیک سیالات و …) تقسیم بندی می شوند.البته مراکز آموزشی مرتبط با این بخش معمولاً وابسته به دانشگاه‌ها بوده و در اشاعه این نوع تحلیل به مهندسین فارغ التحصیل کمک شایانی کرده و می کنند.

برخی از مهمترین این مراکز آموزشی در ایران از قرار زیر است:

• گروه دینامیک سیالات محاسباتی دانشگاه صنعتی اصفهان
• مرکز تحقیقات دینامیک سیالات محاسباتی دانشگاه علم و صنعت ایران
• مرکز تحقیقات CFD دانشگاه رازی کرمانشاه

محاسبات دینامیکی سیال راه حل تئوری جهت بررسی و پیش بینی عملکرد سیستمهایی است که در گـیر جریان سیال، انتـقال انرژی و پدیدههای مـربوطه ماننـد احتراق و واکنشهای شیمیایی می باشند. این محاسبات با شبیه سازی کامپیوتری همراه میباشد. کدهای CFD معادلات پیوستگی جرم، انرژی و اندازه حرکت را روی یک دامنه که توسط کاربر مشخص میشود، حل مینمایند. تکنیک بسیار قوی بوده و محدوده بزرگی از کاربردهای صنعتی را در برمیگیرد.حل عددی معادلات موازنه انرژی و اندازه حرکت میتواند با معادلات جریان ترکیب شده تا انتقال حرارت و واکنشهای شیمیایی را در جریان توضیح دهند . نتابج شبیه سازی میتواند به فرمهای مختلفی باشد: عددی، گرافیکی و یا مصور. کدهای CFD بر اساس الگوریتهای عددی ساختار بندی شدهاند. بسته های نرم افزاری تجاری CFD برای وارد کردن پارامترها و بررسی نتایج با رابطهای کاربر به هم می پیوندند.

دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) تکنیک استفاده از از محاسبات عددی برای استخراج اطلاعات مربوط به جریان، خواص سیالات و سایر پدیده های همراه جریان نثل انتقال حرارت ، انتقال جرم و انجام واکنش های شیمیایی در سیستمهای مختلف می باشد. 

چرا CFD؟

CFD کاربرد های زیادب در صنایع مختلف از جمله هوا و فضا، دفاعی ، خودروسازی پیدا کرده است. هر چند سابقه استفاده از CFD در فرایند های شمیایی زیاد نیست، ولی معتقدیم که با قابلیت های منحصر به فردی که در آن وجود دارد از یک سو و پیچیدگی هایی که در فرایند های مهندسی شیمی وجود دارد از سوی دیگر، استفاده از این تکنیک می تواند راه گشای بسیاری از تنگنا های موجود باشد. علاقمندی مهندسین به حل مشکلات از قبیل بالا بودن هزینه ایحاد واحدهای صنعتی، پائین بودن راندمان تولید، کیفیت نامطلوب محصولات، تخریب محیط زیست، پایین بودن راندمان مصرف انرژی و عدم وجود ایمنی کافی در واحدها، امروزه استفاده از تکنیک‌های CFD را گریزناپذیر کرده است.

در گزارشی از بخش تحقیقات شرکت DuPont در ارتباط با استفاده از CFD در رفع گلوگاه‌های فرایندی آمده است:

• مطالعات CFD فرآیندی، منجر به تغییر شرایط عملیاتی راکتور  تولید گردید ، به طوریکه نرخ تولید تا ۵۰% افزایش یافت و  نیاز به ساخت یک راکتور جدید را به طور کامل منتفی کرد. رد این مطالعه ضمن افزایش سودآوری کارخانه از جهت افزایش ظرفیت تولید ، تقریباً ۵۰ ملیون دلار از جهت عدم نیاز به ساخت راکتور جدید صرفه جویی گردید.
• از مطالعه CFD دیگری در یک فرایند مشخص گردید که مقادیر زیاد بخاری که مستقیماً به فرایند تزریق می شود می تواند ضمن حفظ راندمان تولید فرایند کمتر شود و از این جهت چهار ملیون دلار در سال در هزینه های واحد صرفه جویی گردید.

علاوه بر رفع گلوگاه های فرایند های موجود ، قابلیتهای زیادی را می توان برای استفاده از CFD  بر شمرد از جمله:

• استفاده از شبیه سازی جهت طراحی و ساخت تجهیزات به جای روش سنتی ساخت و تست
• با توجه به حفظ اشل واقعی فرآیندها در این روش شبیه سازی پدیده هایی که امکان آزمایش آن‌ها اصلاً مقدور نمی باشد، مثل شبیه سازی خشک کن پاششی صنعتی جهت رفع تنگنا های موجود، راکتور های صنعتی و…

کجا CFD؟

خلاصه کلام اینکه CFD می تواند کمک شایانی در طراحی و شبیه سازی فرایند ها و محصولات موجود و همچنین جدید باشد. CFD می تواند به عنوان یک ابزار توانمند جهت کاهش هزینه های انرژی مصرفی در واحد ها به عنوان یکی از چالشهای اساسی صنعت، حفظ سلامتی انسان، بالا بردن شریب ایمنی فرایند ها ، ارائه راهکار های استفاده بهینه نر از محیط زیست ، افزایش ظرفیت تولید و اضافه کردن حاشیه سود فرایند ها مورد توجه قرار گیرد.