مهندسی معماری

مقدمه

دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) شاخه‌ای از مکانیک سیالات است که از روش‌های عددی برای حل و تجزیه و تحلیل مسائل جریان سیال استفاده می‌کند. علم CFD از اوایل دهه 1980 به صورت تجاری در جامعه مهندسی برای کاربردهایی مانند توربوماشین، هوافضا، احتراق و مهندسی مکانیک ارائه شده است. درحال حاضر، CFD ثابت کرده است که یک عامل محرک برای بهبود عملکرد در مواردی مانند مسابقات رالی فرمول یک، معماری دریایی برای جام آمریکا، و توسعه محصول برای لباس شنا است.

علم CFD برای چندین دهه به مهندسی معماری و صنعت HVAC (گرمایش، تهویه مطبوع و هواسازی) معرفی شده است. اثربخشی آن در کمک به معماران و مهندسان در فرآیند طراحی به خوبی تایید شده است.

معماری هم معادل فرآیند و هم معادل محصول نقشه کشی، طراحی و ساخت ساختمان‌ها یا سازه‌های دیگر است. به عبارت دیگر، یک معمار وظیفه طراحی محیطی راحت را برای ساکنین، عمدتاً از نظر جنبه‌های زیبایی شناسی، تهویه و آسایش حرارتی بر عهده دارد.

چگونه می‌توان عملکرد معماری را در شبیه سازی‌های CFD بهبود بخشید؟

همان‌طور که در پاراگراف‌های بالا ذکر شد، جنبه‌های اصلی مهندسی معماری، طراحی ساختمانی است که بتواند تهویه مناسب مطبوع و آسایش حرارتی را برای ساکنان در مکان‌های سرپوشیده فراهم کند. چندی پیش، بیشتر موضوعات مرتبط با ساختمان، مانند تجزیه و تحلیل تهویه، محیط باد و غیره، با استفاده از آزمایش تونل باد مشاهده شد. با این حال، امروزه، تمام این تست‌ها را می‌توان با موفقیت با CFD انجام داد. علم CFD می‌تواند تمام مسائل ذکر شده در بالا را به سرعت حل کند و مقرون به صرفه‌تر و قوی‌تر از روش قدیمی (تجربی) است.

دینامیک سیالات محاسباتی درحال حاضر به عنوان یک تکنیک مدل‌سازی جریان هوا استفاده می‌شود و می‌تواند جریان هوا، انتقال حرارت و حمل آلاینده را در داخل و اطراف ساختمان پیش‌بینی کند. روش CFD نقش مهمی در طراحی ساختمان ایفا می‌کند؛ طراحی ساختمانی از نظر آسایش حرارتی، سلامت و کم‌مصرف بودن. روش CFD می‌تواند اثربخشی و بازدهی سیستم‌های مختلف گرمایش، تهویه مطبوع و هواسازی را با تغییر سریع نوع و موقعیت اجزای مختلف، شرایط هوای تامین و برنامه‌های کنترل سیستم بررسی کند. علاوه براین، CFD با مدل‌سازی و بهینه‌سازی ساختمان‌ها و فضاهای داخلی مختلف به توسعه استراتژی‌های گرمایش/سرمایش/تهویه مطبوع طبیعی کمک می‌کند.

علم CFD برای بهینه سازی سیستم‌های HVAC

دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) یک فناوری از قبل تاسیس شده است. این علم به دانشمندان و مهندسان این امکان را داده است که برای چندین دهه عملکرد جریان را در زمینه‌های کاربردی متعدد مدل‌سازی و پیش‌بینی کنند. محدودیت‌های کاربرد آن با افزایش قدرت محاسباتی همچنان درحال افزایش است. به عنوان مثال، آخرین روند رایانش ابری به شرکت‌ها و مشاوران کوچک این قدرت را داده است که شبیه سازی‌های بزرگ و پیچیده را با کمترین دردسر و بدون هزینه‌های سخت افزاری و نرم افزاری مرتبط اجرا کنند.

تهویه (که به عنوان هوای درحال حرکت در یک فضای بسته شناخته می‌شود) مکانیسم اولیه برای سیستم‌های HVAC برای دستیابی به هدف خود در تامین آسایش حرارتی یا سایر شرایط خاص داخل ساختمان است. به طور سنتی، قواعد سرانگشتی و محاسبات دستی تقریبی برای اندازه‌گیری ظرفیت‌ها و پارامترهای تجهیزات تهویه استفاده می‌شود. با این حال، این رویکرد بر حاشیه‌های ایمنی تعیین‌شده، آزمایش‌های فیزیکی در مراحل آخر، و تنظیمات برای تضمین رعایت الزامات متکی است.

علم CFD برای بهبود رویه آب و هوای داخلی

متغیرهای حیاتی برای تعیین آسایش حرارتی، نور مستقیم خورشید، دمای هوا، دمای تابش، سرعت هوا و رطوبت هوا هستند. تصمیمات طراحی صحیح درمورد انرژی و آسایش نیاز به اطلاعاتی دارد درمورد بزرگی همزمان این مقادیر در کل فصل زمانی که سیستم‌های گرمایش یا سرمایش در حال کار هستند.

از دیدگاه طراحی، نیازی به توصیف کل میدان جریان اتاق وجود ندارد. مناسب است اطمینان حاصل شود که سرعت بالا در منطقه اشغال شده بعید است. توزیع عمودی دما می‌تواند به طور قابل توجهی بر مصرف انرژی و آسایش در دهلیزها، سایر فضاهای بلند یا در اتاق‌هایی با تهویه جابجایی تأثیر بگذارد. برای کاربردهای غیرصنعتی، سطوح آلاینده عمدتاً به اثرات بلندمدت سلامتی مربوط می‌شود تا آسایش، و نوع آنها در یک اتاق به ندرت یک موضوع طراحی ضروری است.

با توجه به پتانسیل عظیم حدس زدن میدان‌های جریانی که CFD به بسیاری از حوزه‌ها آورده است، طبیعی است که بسیاری از بحث‌های علمی در مورد آب و هوای داخل ساختمان و استفاده از انرژی ساختمان برروی CFD متمرکز شده باشد. با این حال، CFD دارای کاستی‌های شدید در ارزیابی اقتصادی ریسک پیش‌نویس (draft risk) و گرادیان دمای عمودی است. درک جت‌ها و ستون‌ها، به عنوان مثال، مناطقی با سرعت نسبتاً بالا در یک جهت یکنواخت در یک سیال تقریباً راکد، کلیدی برای تخمین ریسک پیش‌نویس در یک محیط داخلی است. اگر جت‌ها به روش‌های ناخواسته به منطقه اشغال شده نفوذ کنند، ناراحتی ایجاد می‌شود. یک جریان متلاطم، مانند جریان بیشتر جت‌ها و ستون‌ها، دارای یک سیستم آشفته گردابه‌ها در طیف وسیعی از زمان و مکان است. بنابراین، هر روش عملی CFD باید یک مدل توربولانسی ارائه کند که به جای جریان نوسان واقعی، مقداری میانگین زمانی جریان را پیش‌بینی کند.

علم CFD در مورد جریان هوا در فضای باز

علم CFD انتقال حرارت، جریان سیال و انتقال گونه‌های شیمیایی را حل می‌کند. پارامترهای حل شده، مانند سرعت هوا، دمای هوا، غلظت آلاینده‌ها، رطوبت نسبی و مقادیر توربولانسی، برای طراحی یک محیط راحت در فضای باز یا داخلی بسیار مهم هستند.

این امر بدین دلیل است که طراحی سیستم‌های تهویه مناسب و توسعه استراتژی‌های کنترلی به دانش دقیق جریان هوا، پراکندگی آلاینده‌ها و توزیع دما در ساختمان نیاز دارد. معماران برای طراحی پیکربندی ساختمان نیز به این دانش نیاز دارند. روش CFD با موفقیت قابل توجهی در طراحی ساختمان در سی سال گذشته استفاده شده است.

این مقاله تعداد کمی از کاربردهای CFD را در توسعه معماری پوشش می‌دهد. صنعت معماری پر از کاربردهای CFD است. از تهویه مطبوع اتاق تا کاهش آلودگی در یک منطقه واقعی شهری. دینامیک سیالات برای بیشتر جنبه‌های معماری اساسی است. اگرچه نمونه‌های اولیه در مقیاس کامل برای مراحل بعدی توسعه استاندارد هستند، طراحی و بهینه سازی در مراحل اولیه می‌تواند با مطالعات CFD به طور قابل توجهی تسریع شود.

خدمات شرکت پردازشگران مهر

شرکت پردازشگران مهر تحقیقات سفارشی گسترده‌ای را درمورد کاربردهای مهندسی معماری و پروژه‌های شبیه سازی انجام داد. گروه 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 پروژه های انجام شده توسط گروه پردازشگران مهر که دارای کاربردهای صنعتی هستند، شامل شبیه سازی سمپاش پهپاد کشاورزی (Agricultural Drone Sprayer) است که نشان می‌دهد چگونه طراحان پهپادها می‌توانند از CFD برای اجرای بهترین طراحی برای صنعت وسایل نقلیه خود استفاده کنند.

متخصصان در صنعت معماری، مهندسی و ساخت و ساز می‌دانند که طراحی ساختمان آنها چقدر برای آسایش ساکنان و عملکرد انرژی ساختمان مهم است. تابش خورشیدی به طور قابل توجهی بر جنبه‌های حرارتی ساختمان‌ها و سازه‌ها در محیط‌های داخلی و خارجی تأثیر می‌گذارد. این ویژگی ANSYS Fluent به کاربران اجازه می‌دهد تا بارهای حرارتی خورشیدی را در داخل و خارج ساختمان‌ها تجسم کنند و دقت پیش‌بینی‌های آسایش حرارتی را افزایش دهند.

نمونه دیگری از پروژه CFD که گروه پردازشگران مهر با موفقیت شبیه سازی کرده است، بررسی تهویه مطبوع اتاق است. در این پروژه، کارشناسان پردازشگران مهر جریان هوای داخل یک اتاق را شبیه سازی کردند.

تهویه مطبوع روشی است برای تهویه هوای داخل خانه برای آسایش حرارتی (thermal comfort) مشخص. یک هواساز بخشی از تجهیزات، ابزار یا سیستمی است که برای تثبیت دما و رطوبت هوا در یک منطقه طراحی شده است. این سیستم برای سرمایش و گرمایش، با تکیه بر دمای هوا در یک زمان معین، عموماً با به کارگیری چرخه تبرید (refrigeration) مورد استفاده قرار می‌گیرد.

یکی از کاربردهای بزرگ دیگر CFD در معماری، قابلیت آن در مدل سازی گونه‌های (species) مختلف است. به عنوان مثال، در پروژه دیگری که توسط گروه پردازشگران مهر انجام شد، آنها سعی کردند که آلودگی در هوا را شبیه سازی کنند. محیط‌های شهری بحرانی‌ترین بستر زندگی هستند، و در اکثر کشورهای درحال توسعه، وضعیت آلودگی هوا گام‌به‌گام بدتر می‌شود. با این حال، پیشرفت‌های تکنولوژیک نقش اساسی در کاهش آلودگی هوا ایفا کرده است. با توجه به افزایش تقاضا برای حمل و نقل، این یک چالش باقی خواهد ماند.

شرکت پردازشگران مهر، متخصص در زمینه شبیه سازی معماری

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 معماری به شرح زیر دسته بندی می‌شود:

• تحلیل تهویه مطبوع ساختمان‌ها
• سازه ساختمان و تأثیر شکل ساختمان‌ها بر توزیع هوا و آلودگی شهر
• مشاوره شبیه سازی سیالات، طراحی و بهینه سازی سیستم شهری و تهویه مطبوع
• و ..…

شما می‌توانید محصولات مرتبط با دسته شبیه سازی معماری را در فروشگاه آموزشی 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 معماری 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 به‌ صورت رایگان بهره ببرید و سپس  پروژه‌تان را سفارش دهید تا شبیه‌سازی و آموزش داده شود.