پروژه دینامیک سیالات محاسباتی چیست؟
پروژه دینامیک سیالات محاسباتی به مطالعه و تحلیل رفتار سیالات در حضور قوانین فیزیکی و ریاضیاتی با استفاده از روش‌های محاسباتی می‌پردازد. در این پروژه، از الگوریتم‌ها، مدل‌ها و نرم‌افزارهای مختلف برای شبیه‌سازی و تحلیل جریان سیالات در مسائل مختلف استفاده می‌شود.
هدف اصلی پروژه دینامیک سیالات محاسباتی، بررسی و پیش‌بینی رفتار سیال در مقیاس‌های مختلف است. مثال‌هایی از پروژه‌های دینامیک سیالات محاسباتی شامل بررسی جریان سیال درون لوله‌ها، تحلیل جریان سیال در دستگاه‌های توربین، شبیه‌سازی سیستم‌های تهویه مطبوع و بررسی تأثیر جریان سیال بر روی سازه های آبی می‌باشد.
استفاده از روش‌های محاسباتی در پروژه دینامیک سیالات، امکان تحلیل دقیق‌تر و سریع‌تر جریان سیال را فراهم می‌کند. این روش‌ها شامل مدل‌سازی عددی، تقسیم محیط پروژه به المان‌های کوچکتر، حل معادلات جریان سیال با روش‌های عددی و تحلیل نتایج به دست آمده می‌باشد.
پروژه دینامیک سیالات محاسباتی به عنوان یک حوزه پژوهشی مهم در مهندسی مکانیک و مهندسی سیالات، در حوزه‌های مختلفی از جمله خودروسازی، هوانوردی، انرژی، صنایع شیمیایی، طراحی سازه های آبی و … استفاده می‌شود.
انجام پروژه دینامیک سیالات محاسباتی
تا کنون پروژه های مختلفی در این حوزه توسط تیم فرآیند پروژه انجام شده است. تعداد از این پروژه ها در ادامه بیان می شود.
1. شبیه‌سازی جریان سیال در داخل یک مجراهای مختلف از جمله پایپ لاین های طولانی، شیر و دیگر تجهیزات کنترل جریان با استفاده از روش المان محدود و حجم محدود
2. بررسی تأثیر توربولانس در جریان سیال درون لوله بر میزان انتقال حرارت با استفاده از مدل‌های توربولانسی
3. شبیه‌سازی جریان سیال در تجهیزات مختلف فرآیندی با هدف بررسی عملکرد و بهبود کارایی
4. تحلیل جریان سیال در دستگاه تهویه مطبوع با استفاده از مدل های توزیع سرعت-فشار
5. بررسی تأثیر جریان سیال بر روی سازه‌های مکانیکی مختلف از جمله پره ها
نمونه پروژه CFD
بررسی توزیع سرعت بین ساختمان‌های شهری با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی، به مطالعه و تحلیل جریان هوا در محیط شهری با تأثیر ساختمان‌ها و توپوگرافی محلی می‌پردازد. با استفاده از روش‌های محاسباتی، می‌توان توزیع سرعت جریان هوا در اطراف ساختمان‌ها و در سطح مختلف ارتفاع شهر را بررسی کرد.
در این پروسه، از مدل‌سازی عددی استفاده می‌شود که با استفاده از معادلات ناویر-استوکس برای جریان هوا و با در نظر گرفتن شرایط مرزی و ویژگی‌های محیطی مانند ساختمان‌ها، خیابان‌ها، میدان‌ها و سایر عوامل تأثیرگذار، توزیع سرعت جریان هوا را مدل‌سازی می‌کند.
این روش به ما امکان می‌دهد تا تأثیر ساختمان‌ها بر جریان هوا را بررسی کنیم. می‌توان توزیع سرعت هوا در ارتفاعات مختلف و در اطراف ساختمان‌ها را بررسی کرد و نقاطی را که تحت تأثیر سایه ساختمان‌ها قرار می‌گیرند، شناسایی کرد. این اطلاعات می‌تواند در طراحی بهینه ساختمان‌ها و برنامه‌ریزی شهری مورد استفاده قرار گیرد.
همچنین، با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی، می‌توان اثرات عوامل مختلفی مانند جریان باد، توپوگرافی محلی، اندازه و شکل ساختمان‌ها و موقعیت آنها را در توزیع سرعت جریان هوا مدل‌سازی کرد و تحلیل کرد.
محاسبه توزیع سرعت بین ساختمان ها با CFD
بنابراین، با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی می‌توان توزیع سرعت بین ساختمان‌های شهری را بررسی کرده و اطلاعاتی مفید در خصوص طراحی ساختمان‌ها، بهینه سازی انرژی و بهبود شرایط محیطی شهری به دست آورد. نمونه ای از پروژه انجام شده در حوزه شبیه سازی جریان سیال بین ساختمان های شهری در تهران در ویدیوی زیر قابل مشاهده است.
دینامیک سیالات محاسباتی در جداسازی ذرات
پروژه شبیه‌سازی سیکلون با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی به مطالعه و تحلیل جریان هوا و ذرات در داخل سیکلون می‌پردازد. سیکلون یک دستگاه جداسازی است که برای جداسازی ذرات جامد از جریان گاز استفاده می‌شود. در این پروژه، از روش‌های محاسباتی برای شبیه‌سازی و تحلیل جریان هوا و جریان ذرات در داخل سیکلون استفاده می‌شود.
در این پروژه، ابتدا با استفاده از مدل‌سازی عددی، جریان هوا در داخل سیکلون با در نظر گرفتن شرایط مرزی و ویژگی‌های فیزیکی آن مدل‌سازی می‌شود. سپس با استفاده از معادلات ناویر-استوکس برای جریان هوا، توزیع سرعت و فشار در داخل سیکلون محاسبه می‌شود. همچنین، با در نظر گرفتن قوانین جریان ذرات، توزیع ذرات در داخل سیکلون مدل‌سازی می‌شود. در صورتی که نیاز به خدمات مشاوره صنعتی دارید، می‌توانید از لینک زیر اقدام به ثبت سفارش کنید.
در این پروژه، می‌توان تأثیر پارامترهای مختلفی مانند شکل و ابعاد سیکلون، شدت و جهت جریان هوا، ویژگی‌های فیزیکی ذرات، و شرایط مرزی را در جداسازی ذرات در داخل سیکلون بررسی کرد. همچنین، با تحلیل نتایج به دست آمده از شبیه‌سازی، می‌توان بهینه‌سازی طراحی سیکلون و بهبود عملکرد آن را مورد بررسی قرار داد.
استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی در پروژه شبیه‌سازی سیکلون، امکان مطالعه دقیق‌تر و بررسی جزئیات بیشتر در مورد جریان هوا و جریان ذرات در داخل سیکلون را فراهم می‌کند. همچنین، این روش به ما امکان می‌دهد. نمونه پروژه شبیه سازی سیکلون برای جداسازی ذرات در ویدیوی زیر مشاهده می شود.
بررسی دنباله سیال گذرنده از روی استوانه
کاربرد دیگر دینامیک سیالات محاسباتی مطالعات آکادمیک است. در حوزه مطالعات آکادمیک نیز شبیه سازی های مختلفی انجام شده است. نمونه از مطالعات آکادمیک که توسط شبیه سازی دینامیک سیالات محاسباتی انجام می شود، شبیه سازی دنباله جریان سیال عبوری از روی یک کره است. در علوم مهندسی به این دنباله خیابان گرداب ون کارمن (به انگلیسی Von Karmann Vortex Street) گفته می شود.
خیابان گرداب وُن کارمن
حرکت سیال در محیط متخلخل
شبیه‌سازی حرکت سیال در محیط متخلخل با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی، به مطالعه و تحلیل جریان سیال در داخل ساختارهای متخلخل مانند خاک، سنگ، فیلترها و سایر محیط‌های پر از ترک‌ها و شکاف‌ها می‌پردازد. در این پروسه، از روش‌های محاسباتی برای شبیه‌سازی و تحلیل جریان سیال در داخل این محیط ها استفاده می‌شود.
در شبیه‌سازی حرکت سیال در محیط متخلخل، ابتدا با استفاده از مدل‌سازی عددی، ساختار متخلخل مورد نظر مدل‌سازی می‌شود. سپس با استفاده از معادلات ناویر-استوکس برای جریان سیال و با در نظر گرفتن شرایط مرزی و ویژگی‌های فیزیکی محیط متخلخل، توزیع سرعت و فشار در داخل محیط متخلخل محاسبه می‌شود.
نمونه ای از انجام شبیه سازی دینامیک سیالات محاسباتی که در توسط تیم فرآیند پروژه انجام شده در زیر نمایش داده شده است. در اینجا مشاهده می شود که سیال آب در حال نفوذ در یک بستر خاکی است.
پروژه دینامیک سیالات محاسباتی محاسبه نفوذ آب در خاک، به مطالعه و تحلیل رفتار جریان آب در داخل خاک می‌پردازد. در این پروژه، از روش‌های دینامیک سیالات محاسباتی برای شبیه‌سازی جریان آب در داخل خاک و محاسبه توزیع فشار و سرعت آب استفاده می‌شود.
در این پروژه، ابتدا با استفاده از مدل‌سازی عددی، ساختار خاک و سایر عوامل موثر در جریان آب مانند اندازه ذرات خاک، خواص هیدرولیکی خاک و شرایط مرزی مدل‌سازی می‌شود. سپس با استفاده از معادله هیدرولیک دارسی، که یک معادله پارشیال دیفرانسیل است، جریان آب در داخل خاک محاسبه می‌شود.
در طول این پروسه، متغیرهای مختلفی مانند توزیع فشار آب، سرعت جریان و میزان نفوذ آب در خاک مورد بررسی قرار می‌گیرد. همچنین، با در نظر گرفتن ویژگی‌های ساختاری خاک و شرایط محیطی، می‌توان اثرات متغیرهای مختلف مانند میزان بارندگی، نوع خاک و تراوایی آن را بر روی جریان آب در خاک مورد بررسی قرار داد.
نرم افزار انجام پروژه CFD
در زمینه دینامیک سیالات محاسباتی، چندین نرم‌افزار قدرتمند برای انجام پروژه‌های مربوطه وجود دارد. در زیر، به برخی از این نرم‌افزارها اشاره می‌کنم:
1. ANSYS Fluent: یکی از معروف‌ترین نرم‌افزارهای دینامیک سیالات محاسباتی است که قابلیت شبیه‌سازی و تحلیل جریان سیال در سطوح مختلف از جمله جریان‌های خنک‌کننده، جریان‌های داخلی و خارجی، جریان‌های چندفازی و… را داراست. این نرم‌افزار، قابلیت شبیه‌سازی و تحلیل جریان سیال در محیط‌های متنوع از جمله جریان‌های گازی و سیالات نیوتنی را داراست. از طریق روش‌های عددی پیشرفته، این نرم‌افزار به تحلیل دقیق جریان سیالات می‌پردازد.
2. OpenFOAM: یک نرم‌افزار متن‌باز و قدرتمند است که برای شبیه‌سازی جریان سیال و انجام تحلیل‌های دینامیک سیالات محاسباتی استفاده می‌شود. این نرم‌افزار از الگوریتم‌های پیشرفته و مدل‌های فیزیکی متنوعی برای مدل‌سازی جریان سیال استفاده می‌کند.
3. COMSOL Multiphysics: این نرم‌افزار چندفیزیکی، امکان مدل‌سازی و شبیه‌سازی جریان سیالات را در محیط‌های متنوع مانند جریان‌های گازی، سیالات نیوتنی و غیرنیوتنی، جریان‌های چندفازی و… فراهم می‌کند.
4. +STAR-CCM: یک نرم‌افزار تجاری و پیشرفته برای شبیه‌سازی جریان سیال و تحلیل دینامیک سیالات محاسباتی است. این نرم‌افزار از روش‌های عددی پیشرفته، مدل‌سازی گسترده و قابلیت‌های تحلیلی منحصر به فردی برخوردار است.
هر یک از این نرم‌افزارها قابلیت‌ها و ویژگی‌های خاص خود را دارند و بسته به نیازهای پروژه و تخصص شما می‌توانید از آنها استفاده کنید. برای انتخاب مناسب‌ترین نرم‌افزار، می‌توانید با توجه به نیازهای پروژه و دسترسی به منابع و پشتیبانی، تحقیقات خود را انجام دهید. در مجموعه فرآیند پروژه از تمام این نرم افزارهای برای انجام پروژه دینامیک سیالات محاسباتی استفاده می شود.
نتایج انجام پروژه دینامیک سیالات محاسباتی
نتایج پروژه‌های شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی می‌توانند اطلاعات مفیدی درباره رفتار جریان سیال در سیستم‌ها و ساختارهای مختلف ارائه دهند. این نتایج می‌توانند به ما کمک کنند تا درک بهتری از جریان سیالات و تأثیر عوامل مختلف بر آن داشته باشیم. در زیر، برخی از نتایج مهم پروژه‌های شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی را ذکر می‌کنم.
1. توزیع سرعت: شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی می‌تواند توزیع سرعت جریان سیال در سیستم را نشان دهد. این نتایج می‌توانند به ما کمک کنند تا نقاط قوی و ضعف جریان را شناسایی کنیم و از طریق بهینه‌سازی طراحی سیستم‌های بهتری را انجام دهیم.
2. توزیع فشار: شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی می‌تواند توزیع فشار سیال در سیستم را نشان دهد. این نتایج می‌توانند به ما کمک کنند تا مناطق با فشار بالا یا پایین را شناسایی کنیم و از طریق بهینه‌سازی سیستم، مشکلات مربوط به فشار را حل کنیم.
3. توزیع دما: شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی می‌تواند توزیع دما در جریان سیال را نشان دهد. این نتایج می‌توانند به ما کمک کنند تا مناطق گرم و سرد را شناسایی کنیم و از طریق بهینه‌سازی سیستم، مشکلات مربوط به توزیع دما را حل کنیم.
4. جریان‌های چندفازی: در برخی پروژه‌ها، جریان سیالات چندفازی مانند جریان هوا و آب در داخل سیستم‌های تهویه مطبوع یا جریان آب و گاز در داخل خاک مورد مطالعه قرار می‌گیرد. نتایج شبیه‌سازی می‌توانند به ما کمک کنند تا توزیع فازهای مختلف در جریان را بررسی کنیم و از طریق بهینه‌سازی سیستم، بهبود راهکارهای مربوط به جریان‌های چندفازی ارائه دهیم.
5. توزیع تنش و ضربه: شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی می‌تواند توزیع تنش و ضربه در جریان سیال را نشان دهد. این نتایج می‌توانند به ما کمک کنند تا نقاط ضعف سیستم را شناسایی کنیم و از طریق بهینه‌سازی طراحی و مواد ساختاری، مشکلات مربوط به تنش و ضربه را حل کنیم.