دینامیک سیالات محاسباتی (Computational Fluid Dynamic)

در این وبلاگ ابتدا معادلات ناویر استوکس (Navier-Stokes) و تعریف CFD را توضیح می‌دهیم؛ سپس مراحل حل یک مسئله با دینامیک سیالات محاسباتی را با استفاده از نرم افزار ANSYS Fluent (پیش‌پردازش (pre-Processing)، پردازش (processing) و پس‌پردازش(post-processing)) توضیح می‌دهیم.

معادلات ناویر استوکس (Navier-Stokes)

فرم نهایی معادلات ناویر استوکس به شرح زیر است:

در این روابط، v ،u و w به ترتیب سرعت در جهت y ،x و z را نشان می‌دهند.

فرض کنید این سه معادله مومنتوم با معادله بقای جرم ترکیب شده‌اند. در آن صورت، آنها می‌توانند توصیف کاملی از خواص مختلف میدان جریان یک سیال نیوتنی (Newtonian) و تراکم ناپذیر (incompressible) را به ما ارائه دهند.

به دلیل ترم غیرخطی در این معادلات، نمی‌توانیم از حل تحلیلی استفاده کنیم و باید آن را به صورت عددی تقریب کنیم.

CFD چیست؟

تجزیه و تحلیل جریان سیال با استفاده از روش‌های حل عددی به عنوان دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) شناخته می‌شود. با استفاده از CFD، می‌توانید جریان سیال، انتقال حرارت، انتقال جرم، واکنش‌های شیمیایی و پدیده‌های مرتبط را با حل معادلات ریاضی حاکم بر یک مسئله معین پیش‌بینی کنید. ما از قانون فیزیکی در معادلات دیفرانسیل جزئی در دینامیک سیالات استفاده می‌کنیم. حلگرهای پیچیده CFD این قوانین را به معادلات جبری تبدیل می‌کنند که می‌توانیم آنها را به صورت عددی حل کنیم.

شکل زیر الگوریتم یا فلوچارت حل مسائل جریان سیال در نرم افزار ANSYS Fluent را نشان می‌دهد.

به طور کلی و مطابق شکل بالا، مراحل حل مسئله به روش دینامیک سیالات محاسباتی یا روش CFD به شرح زیر است:

1. پس‌پردازش
2. پردازش
3. پیش‌پردازش

    1. پس‌پردازش

پیش‌پردازش اولین گام در حل آنالیز CFD است. مجموعه کارهای انجام شده قبل از ورود به نرم افزار Fluent (همچنین سایر نرم افزارهای آنالیز) و در محیط‌های طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) مانند CATIA ،SolidWorks ،SpaceClaim ،Design Modeler و … و محیط‌های Meshing، جزء مرحله پیش‌پردازش هستند.

در این مرحله، باید مجموعه وظایف زیر را انجام دهیم:

• ایجاد هندسه (Geometry)
• ایجاد (Mesh)
• تنظیمات فیزیکی (Setting)
• انتخاب حلگر (Solver)
• تعیین مدل‌ها (Models)
• تعیین مواد (Materials)
• تعریف شرایط مرزی (Boundary Conditions)

    2. پردازش

پس از اتمام مرحله پیش‌پردازش، وارد قسمت بعدی یعنی مرحله پردازش یا حل می‌شویم. در این مرحله کارهای زیر را انجام می‌دهیم:

• انتخاب الگوریتم محاسبه (Computing Algorithm)
• تعیین روش گسسته سازی (Discretization Method)
• تعیین حد بحرانی همگرایی (Convergence Monitoring Criteria)

    3. پس‌پردازش

درنهایت، می‌توانید داده‌های تولید شده و نتایج بررسی شده را در مرحله پس‌پردازش مشاهده، استخراج و تجزیه و تحلیل کنید. نام دیگر این محیط CFD-Post یا Result است. در این مرحله، تحلیل‌گر می‌تواند یافته‌ها را دوباره بررسی کند و براساس آنها نتیجه‌گیری کند. گرافیک‌های ثابت یا انیمیشنی، نمودارها و جداول نمونه‌هایی از روش‌هایی برای انتقال نتایج هستند.

به طور خلاصه، مسأله را کاملاً شناسایی می‌کنیم (تعریف اهداف حل مسئله، و مشخص کردن دامنه محاسباتی حل). ما هندسه را در روند مدل‌سازی تعیین می‌کنیم. سپس هندسه را در یک شبکه محاسباتی گسسته کرده و در قالب یک دامنه محاسباتی (مش) ایجاد می‌کنیم. مدل‌های فیزیکی، روش‌های عددی، و شرایط مرزی را برای محاسبه حل مسأله تنظیم می‌کنیم.

با اجرای روش عددی پس از تنظیم شبیه سازی به پاسخ می‌رسد. درنهایت، آنها را در مرحله پس‌پردازش نتایج استخراج می‌کنید.

توجه داشته باشید که مراحل فوق باید به طور مکرر تکرار شوند، نتایج باید بررسی و تجزیه و تحلیل شوند، و هر تکرار در مرحله پیش‌پردازش برای دستیابی به یک پاسخ استنادی تصحیح و تجدید نظر شود.