مهندسی آیرودینامیک و هوافضا

مقدمه

آیرودینامیک و هوافضا روشی است که هوا در اطراف اجسام حرکت می‌کند. قوانین آیرودینامیک به عنوان مثال توضیح می‌دهد که چگونه یک هواپیما می‌تواند پرواز کند. هر وسیله‌ای که در هوا حرکت می‌کند، به آیرودینامیک واکنش نشان می‌دهد. دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) در طراحی و تجزیه و تحلیل محصولات در صنایع هوافضا و حمل‌و‌نقل‌ از جمله خودرو، کامیون و قایق عملیاتی شده است.

کاربرد CFD امروزه فرآیند طراحی آیرودینامیکی را متحول کرده است. در زمان‌های قدیم مردم صنایع دستی خود را در شرایط واقعی آزمایش می‌کردند. اما پس از آن، تونل‌های باد این مزیت را به وجود آوردند که با قرار دادن آن‌ها در داخل یک تونل در برابر جریان هوا، تمام اجسام دست‌ساز مورد استفاده برای پرواز و رانندگی را آزمایش کنند. این امر به آنها کنترل بیشتری بر آزمایش‌های انجام شده داد و خطرات مربوط به آزمایش‌های شرایط واقعی را به طور قابل توجهی کاهش داد. با این حال، تونل‌های باد بسیار پرهزینه بودند و تونل‌های باد با اندازه بزرگ برای صنایع دستی غول‌پیکر مانند هواپیماها مورد نیاز بودند.

علم CFD در کنار تونل باد و آزمایش‌های پرواز یا رانندگی در شرایط واقعی به عنوان ابزار اصلی برای تجزیه و تحلیل اثر جریان بر روی اشیاء دست‌ساز ظاهر شده است. امروزه صنایع مختلف از CFD برای افزایش نتیجه و کاهش هزینه‌های طراحی خود استفاده می‌کنند. صنایع معروف‌تر برای استفاده از CFD در دنیای امروز، صنایع هوافضا، هوانوردی و خودرو هستند. شرکت‌هایی مانند ایرباس، بوئینگ و بسیاری دیگر در صنعت هواپیماسازی و شرکت‌های خودروسازی مانند BMW ،PORCHE ،GMC و بسیاری دیگر اکنون از این ابزار قدرتمند استفاده می‌کنند.

همان‌طور که قبلاً ذکر شد، این مقاله به بررسی برخی از پیشرفته‌ترین کاربردهای CFD در شرکت‌های بزرگ می‌پردازد. صنعت هوانوردی پیشگام در توسعه روش‌های CFD بود. این صنعت زمانی فقط گزینه آزمایش محصولات در داخل تونل‌های باد عظیم را داشت. تبدیل یک طرح مفهومی به محصول نهایی زمان‌بر و پرهزینه بود. طرح نیاز به اصلاح چندین بار برای حل مشکلات مربوط به آن داشت. زمان روش مذکور به دلیل ظهور CFD به میزان قابل توجهی کاهش یافت.

شرکت‌هایی مانند ایرباس، بوئینگ، سوخو و غیره از CFD به طور موثر برای کاهش زمان تولید استفاده می‌کنند. جزئیات و بخش‌های متعددی وجود دارد که از CFD برای ارائه بینش دقیق استفاده می‌شود. مهم‌ترین تأثیر CFD بر صنعت هوانوردی، توانایی آن در مدل‌سازی دقیق عبور جریان هوا از روی هواپیما بود. از CFD می‌توان برای شبیه سازی طیف وسیعی از سرعت‌های جریان، از جمله مادون صوت، سرعت پروازهای تجاری و مافوق صوت، استفاده کرد. کاربردهای برجسته دیگری از CFD در صنعت هوافضا وجود دارد، از جمله آنالیز نویز، شبیه‌سازی احتراق و توربوماشین‌ها که نگاهی به آن‌ها خواهیم داشت.

چگونه می‌توان عملکرد آیرودینامیکی هواپیما را در صنعت با استفاده از شبیه سازی CFD بهبود بخشید؟

یکی از موضوعات مهم در طراحی یک هواپیما، عملکرد آیرودینامیکی آن است (یعنی نسبت نیروی برا (لیفت) به نیروی پسا (درگ)). روش CFD برای بهینه سازی طراحی یک هواپیما از نظر عملکرد آیرودینامیکی، هزینه‌ها، فضای اختصاص داده شده به مسافران و بسیاری از متغیرهای دیگر استفاده می‌شود. روش CFD می‌تواند تغییرات فشار، سرعت، دما و سایر متغیرها را در نزدیکی بدنه هواپیما پیش‌بینی کند و از این‌رو، داده‌های دقیقی را ارائه بدهد که می‌تواند برای هشدار به طراحان در مورد نقص‌های طراحی مفهومی استفاده شود. برخی از ایرادات قابل توجه، جریان‌های جداشده و ظهور پدیده استال برروی بال‌های هواپیما است که می‌تواند برای جان مسافرانی که با هر هواپیمایی پرواز می‌کنند، خطرناک باشد. روش CFD می‌تواند شرایط جریان و زاویه حمله بال را پیش‌بینی کند که به وضعیت ذکر شده کمک می‌کند.

علم CFD برای کاهش صداهای محیطی ناشی از موتور هواپیما

به دلیل تغییرات متعدد صنعت در سال‌های اخیر، سروصدای هواپیما یک عامل ضروری برای شرکت‌های هواپیمایی است که باید در نظر بگیرند. افزایش رقابت، ترافیک هوایی بیشتر، و ساخت جوامع در نزدیکی فرودگاه‌ها، مسائل جدیدی را برای مهندسان هوافضا ایجاد کرده است، از جمله درک کیفیت مشتری و مقررات جدید. صدای فن موتور توربوفن و تاثیر هوا بر پره‌های استاتور دو عامل مهم صدای هواپیما هستند. سازندگان هواپیما سال‌هاست که از لاینرها (liner) در ناسل (nacelle) موتور استفاده می‌کنند تا از انتشار این منابع نویز به داخل کابین جلوگیری کنند. این لاینرها باید سطح بالایی از کاهش نویز را داشته باشند.

این لاینرها باید با دقت زیادی طراحی شوند تا به کاهش نویز دست یابند. به طور سنتی شرکت‌ها این لاینرها را پس از ساخت یک مدل فیزیکی با میکروفون آزمایش می‌کردند، اما هزینه آزمایش فیزیکی بسیار بالا بود. ایرباس اکنون از شبیه‌سازی صوتی برای پیش‌بینی تابش نویز استفاده می‌کند و صرفه‌جویی زیادی را از مرحله آزمایش لاینرها انجام می‌دهد. شبیه سازی آکوستیک بررسی تغییرات طراحی مختلف و نحوه تابش نویز از موتور در طول هر یک را محتمل ساخت. این امر به ایرباس کمک کرد تا حل‌های آکوستیک طراحی و ارائه کند که باعث کاهش وزن هواپیما و تأثیر مالی قابل توجهی شود برای خطوط هوایی که هواپیماهای ایرباس را اداره می‌کنندد. شبیه سازی آکوستیک همچنین به ایرباس کمک می‌کند تا با اجتناب از تغییرات گران قیمت پس از طراحی، هزینه‌های توسعه محصول را کاهش دهد.

روش CFD برای طراحی Nacelle

ناسل پوشش قابل جابجایی موتور هواپیما است که حاوی اجزایی است که انرژی جنبشی باد را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. ناسل باید به گونه‌ای طراحی شود که جریان را مختل کند، تا حد امکان جریان را روان کند و آن را به بدنه‎‌ای روان تبدیل کند. با این حال، به دلیل انسداد درگ و جریان اجتناب ناپذیر، جریان هوا می‌تواند زودتر از آنچه باید متلاطم شده و از سطح بال جدا شود و باعث پدیده استال (stall) شود. طراحان ناسل از CFD برای توسعه یک شیء ابتکاری که برروی بدنه ناسل نصب شده است، استفاده کردند تا باعث شود جریان توربولانسی که از روی آنها می‌گذرد، بیشتر از حد انتظار به سطح بال متصل بماند. شکاف ناسل این بار با ایجاد گرداب‌ه‌هایی افزایش می‌یابند که می‌توانند جریان هوای با مومنتوم بالا را به لایه مرزی وارد کنند و باعث تأخیر در جدا شدن جریان و افزایش لیفت شوند.

صنعت دیگری که به طور کامل از قابلیت‌های CFD استفاده کرده است، صنعت خودروسازی است. شرکت‌های خودروسازی نیز با جریان هوا سروکار دارند، اما به جای هواپیماها، باید بهترین طراحی را برای خودروی خود بررسی و اجرا کنند تا درگ اعمال شده را کاهش دهند. آنها با پیروی از مراحل مشابه مهندسین هوافضا، CFD را برای بهینه سازی طراحی و کاهش زمان تولید امتحان کردند. در ادامه به برخی از حوزه های متمرکزتر آیرودینامیک برای یک شرکت خودروسازی مانند پورشه اشاره می‌شود.

تاثیر اسپویلرها (spoiler)/بال‌ها (wing) بر آیرودینامیک خودرو

بال‌های خودروسازی با اعمال رفتار مشابه هواپیما اما به سمت عقب، نیروی رو به پایین بیشتری را روی خودرو ایجاد می‌کنند. با بال‌هایی که هواپیما را به هوا بلند می‌کند، خودروهای اسپرت دارای یک بال عقب هستند که هوا را به سمت جاده می‌راند. سرعت در سمت پایین بال بیشتر از سمت بالا است که باعث ایجاد گرادیان فشار بین سطوح بالا و پایین می‌شود. همچنین، بال جهت جریان کلی هوا در عقب خودرو را از هدف‌گیری به سمت پایین به هدف‌گیری به سمت مستقیم به عقب/کمی بالا تغییر می‌دهد. این تغییر مثبت نشان می‌دهد که بال عقب به خوبی با کل هندسه خودرو کار می‌کند.

تاثیر هواپیماهای غواصی (Dive Planes) بر آیرودینامیک خودرو

هواپیماهای غواصی می‌توانند اهداف مختلفی را انجام دهند. درحالی که بیشتر بر این باورند که هواپیماهای غواصی توسط جریان برروی خود واحدها نیروی رو به پایین تولید می‌کنند، یک هواپیمای غواصی که به خوبی طراحی شده باشد می‌تواند به میزان قابل توجهی کارایی بیشتری را برای افزایش اثربخشی آن انجام دهد. بخش کوچکی از نیروی رو به پایین تولید شده توسط هواپیماهای غواصی از نیروهای وارد بر سطوح هواپیماهای غواصی است. سمت پایین هواپیماهای غواصی فشار کمتری دارد، در حالی که سمت بالا فشار بیشتری دارد. این یک نیروی رو به پایین ایجاد می‌کند؛ اما این تمام ماجرا نیست. راه اصلی نیروی رو به پایین با هواپیماهای غواصی طراحی شده با کنترل جریان هوا در اطراف خودرو است. هواپیماهای غواصی برای تولید گردابه‌ای استفاده می‌شود که به بیرون کشیدن هوا از چاه‌های گلگیر کمک می‌کند. این کار به کاهش وزن برروی بدنه خودرو کمک می‌کند. ما نمونه‌های اولیه خاصی برای هواپیماهای غواصی داریم؛ زیرا مکان و تعیین محل برای حداکثر عملکرد بسیار مهم است.

تاثیر اسپلیترها (Splitters) و دیفیوزرها (Diffusers) بر آیرودینامیک خودرو

اسپلیترهای جلو در ایجاد نیروی روبه‌پایین جلویی بدون افزایش درگ بسیار موثر هستند. آنها این کار را با ایجاد یک دلتای فشار عظیم بین بالای اسپلیتر و پایین آن انجام می‌دهند. فشار هوا در بالای اسپلیتر افزایش می‌یابد؛ درحالی که فشار زیر اسپلیتر کاهش می‌یابد که منجر به نیروی روبه‌پایین جلویی قابل توجهی می‌شود. همچنین جریان هوا را به پایین خودرو محدود می‌کند و ناحیه‌ای کم فشار ایجاد می‌کند. هوا در جلوی خودرو و روی اسپلیتر جمع می‌شود تا فشار را افزایش دهد.

در این مقاله به تعداد کمی از کاربردهای CFD در بهبود عملکرد آیرودینامیکی هواپیما و وسایل نقلیه پرداختیم. صنایع هوافضا و خودرو پر از کاربردهای CFD هستند. از جریان هوا در اطراف بالها که به هواپیما کمک می‌کند یا جریان هوا برروی اسپویلرها و دیفیوزرهای اتومبیل تا احتراق که در موتورهای جت یا احتراق داخلی رخ می‌دهد. دینامیک سیالات برای بیشتر جنبه‌های بخش هوافضا و خودرو اساسی است. اگرچه مدل‌های تونل باد و نمونه‌های اولیه در مقیاس کامل برای توسعه بعدی استاندارد هستند، طراحی و بهینه‌سازی در مراحل اولیه می‌تواند به طور قابل توجهی با مطالعات CFD تسریع شود.

خدمات پردازشگران مهر

شرکت پردازشگران مهر پروژه‌های شبیه سازی سفارشی متعددی را برای کاربردهای صنعتی و تحقیقاتی آیرودینامیک و مهندسی هوافضا انجام داد. شرکت پردازشگران مهر با چندین سال تجربه در شبیه سازی مسائل مختلف در زمینه‌های مختلف CFD با استفاده از نرم افزار ANSYS Fluent آماده ارائه خدمات گسترده شبیه سازی می‌باشد. به عنوان مثال، برخی از پروژه‌های انجام شده توسط گروه پردازشگران مهر که کاربردهای صنعتی دارند، شامل شبیه سازی جریان خارجی در خودروهای AUDI (simulation of external flow on AUDI cars) است که نشان می‌دهد چگونه طراحان خودرو می‌توانند از CFD برای اجرای بهترین طراحی برای وسایل نقلیه خود در صنعت استفاده کنند.

با استفاده از CFD، آنها رفتار جریان را هنگام عبور از روی خودروی طراحی شده درک می‌کنند تا نیروی درگ اعمال شده به آن را به دلیل جدا شدن جریان در پشت خودرو کاهش دهند، که این امر می‌تواند مزایای بالقوه زیادی مانند کاهش مصرف سوخت داشته باشد. دیگر پروژه شبیه سازی CFD که گروه پردازشگران مهر با موفقیت شبیه سازی کرده است، بررسی جریان هوای خارجی برروی پروانه چرخان یک هواپیما (external airflow over the rotating propeller of an aircraft) است. در این پروژه کارشناسان پردازشگران مهر حرکت چرخشی پروانه را شبیه سازی کردند و نیروی رانش (thrust)، نیروهای درگ و گشتاور (torque) تولید شده توسط ملخ را به دست آوردند.

کاربرد صنعتی چنین پروژه‌هایی می‌تواند یک ملخ (propeller) بهینه‌سازی شده برای تولید بالاترین نیروی رانش و در عین حال کاهش نیروی درگ اعمال شده به دلیل عبور جریان هوا طراحی کند. یکی از کاربردهای بزرگ دیگر CFD در صنعت آیرودینامیک، قابلیت آن در بهینه سازی طراحی یک شیء است. به عنوان مثال، در پروژه دیگری که توسط گروه پردازشگران مهر انجام شد، آنها سعی کردند طراحی NACA0012 (optimize the design of the NACA0012) را برای رسیدن به عملکرد آیرودینامیکی بهینه (یعنی مقدار بهینه برای نسبت لیفت به درگ) بهینه کنند.

درنهایت یکی از مسائلی که می‌توان به آیرودینامیک نسبت داد، احتراق است. به عنوان مثال، در یکی از پروژه‌ها، احتراق فراصوت (hypersonic) در موتور اسکرام‌جت (scramjet) (Hypersonic Combustion in the Scramjet Engine) که در آن هیچ قطعه متحرکی وجود ندارد، بررسی شده است. درحالی که جریان هوا با عدد ماخ (Mach) بالا وارد موتور می‌شود، گاز هیدروژن به قسمت میانی موتور تزریق می‌شود که از حالت همگرا به واگرا تغییر می‌کند. احتراق حاصل به عنوان نیروی محرکه جت مورد نظر عمل خواهد کرد. این عملیات برای اجسام در حال حرکت با سرعت بسیار بالا استفاده می‌شود. با این حال، ظاهر جت و سطوح نیز باید به دقت بررسی شود.

شرکت پردازشگران مهر، متخصص در زمینه شبیه سازی آیرودینامیک و هوافضا

شرکت پردازشگران مهر با چندین سال تجربه در شبیه سازی مسائل مختلف در زمینه‌های مختلف CFD با استفاده از نرم افزار ANSYS Fluent آماده ارائه خدمات گسترده مدل سازی، مش بندی و شبیه سازی می باشد. خدمات شبیه سازی ما برای شبیه سازی آیرودینامیک و هوافضا به شرح زیر دسته بندی می‌شود:

• شبیه سازی و آنالیز هلیکوپتر، هواپیما، کوادکوپتر و …
• شبیه سازی آیرودینامیکی جریان در اطراف هواپیمای مسافربری بدون سرنشین و غیره
• شبیه سازی جریان در اطراف انواع خودروها و وسایل نقلیه
• شبیه سازی CFD موتورهای هواپیما توربین، توربین گاز و جت
• شبیه سازی محفظه احتراق جت
• شبیه سازی CFD توربوفن صنعتی، افت فن و غیره
• شبیه سازی کمپرسورهای گریز از مرکز و رانش موتور جت
• و ..…

شما می‌توانید محصولات مرتبط با دسته شبیه سازی آیرودینامیک و هوافضا را در فروشگاه آموزشی (Training Shop) بیابید.

خدمات ما محدود به موضوعات ذکر شده نیست و گروه پردازشگران مهر آماده انجام پروژه‌های مختلف و چالش برانگیز در زمینه مدل سازی مهندسی آیرودینامیک و هوافضا به سفارش مشتریان است. ما حتی انجام شبیه‌سازی CFD را برای هر طرحی که در ذهن دارید می‌پذیریم تا آنها را به واقعیت تبدیل کنیم و حتی به شما کمک کنیم تا به بهترین طراحی برای آنچه تصور می‌کردید برسید. شما می‌توانید از مشاوره تخصصی پردازشگران مهر (ansysfluent expert consultation) به‌ صورت رایگان بهره ببرید و سپس پروژه‌تان را سفارش دهید (order your project) تا شبیه‌سازی و آموزش داده شود.