مهندسی مکانیک

مقدمه

مهندسی مکانیک مادر همه رشته‌های مهندسی است، اما در عین حال متنوع‌ترین و انعطاف‌پذیرترین رشته‌ها است. این علم شامل مؤلفه‌های حیاتی علوم هوانوردی، برق، عمران، شیمی، مواد و مهندسی زیستی، علاوه بر فیزیک و ریاضیات است. مهندسی مکانیک تقریباً همه جنبه‌های زندگی مدرن را لمس می‌کند، از تلفن‌های همراه و دستگاه‌های زیست پزشکی گرفته تا هواپیماها و نیروگاه‌ها.

مهندسان در زمینه‌های فروش، مدیریت مهندسی و مدیریت شرکتی کار می‌کنند. در دنیایی که تغییرات مداوم اقتصادی، سیاسی، صنعتی و اجتماعی در آن وجود دارد، تطبیق پذیری مزیت متمایز دیگری است. مهندسان مکانیک آموزش دیده‌اند و در موقعیتی هستند که بتوانند انطباق را تعریف و هدایت کنند.

مهندسی مکانیک طیف گسترده‌ای از موضوعات را پوشش می‌دهد، ازجمله:

چگونه می‌توان مهندسی مکانیک را با استفاده از شبیه سازی CFD بهبود بخشید؟

فناوری اخیراً عملیات مهندسان مکانیک را متحول کرده است و ابزارهای آنها رشد بسیار چشمگیری داشته است. CAE یک کلمه چتری است که همه چیز را از تکنیک‌های سنتی CAD (طراحی به کمک رایانه) گرفته تا ساخت به کمک رایانه گرفته تا مهندسی به کمک رایانه، از جمله تجزیه و تحلیل اجزا محدود (FEA) و دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) را پوشش می‌دهد.

این ابزارها و ابزارهای دیگر دامنه مهندسی مکانیک را گسترش داده‌اند. همان‌طور که همه می‌دانیم، زیرشاخه اصلی مهندسی مکانیک، مکانیک سیالات است. دینامیک سیالات محاسباتی پرکاربردترین دیدگاه برای پیش‌بینی رفتار مکانیک سیالات است. روش CFD یک فناوری است که می‌تواند در مراحل اولیه طراحی نتیجه دقیقی ایجاد کند و به طراح این امکان را می‌دهد تا بدون متحمل شدن هزینه‌های مالی یا زمانی زیاد، امکانات متعددی را آزمایش کند. ما از کلمه “می‌تواند” استفاده می‌کنیم؛ زیرا همیشه این‌طور نیست. شبیه سازی CFD برای انجام دادن ساده نیست و نیاز به استفاده از نرم افزارهای تجاری گران قیمت دارد.

یک مهندس مکانیک ممکن است با استفاده از رویکرد CFD، هر پدیده‌ای را که به طور طبیعی یا مصنوعی دیده می‌شود، مدل کند.

علم CFD در شبیه سازی مبدل‌های حرارتی PCM

سیستم‌های حرارتی خورشیدی به دلیل دوام و قابلیت اطمینان طولانی مدت به طور گسترده‌ای در تولید آب گرم خانگی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. ذخیره و استفاده از انرژی حرارتی در این سیستم‌ها به دلیل ماهیت متناوب منابع انرژی خورشیدی بسیار مهم است. گرمای محسوس، ترموشیمیایی و ذخیره گرمای نهان سه نوع سیستم ذخیره انرژی هستند.

در ذخیره سازی گرمای نهان، هنگامی که گرما اعمال می‌شود یا آزاد می‌شود، مواد تغییر فاز دهنده (PCM) از یک فاز به فاز دیگر، مانند جامد به مایع، مایع به جامد، یا جامد به جامد تغییر می‌کند.

ذخیره انرژی حرارتی در PCM در طول تغییر فاز (جامد به مایع یا بالعکس) اتفاق می‌افتد؛ به این صورت که وقتی فاز از جامد به مایع تبدیل می‌شود، گرما را از محیط دریافت می‌کند و با تغییر فاز از مایع به جامد، گرما را به محیط باز می‌گرداند. . این مواد تغییر فاز دهنده دارای دماهای ذوب یا انجماد متفاوتی هستند و از این‌رو، در سیستم‌های سرمایش و گرمایش استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، این مواد در یک روز گرم، گرمای محیط را به صورت گرمای نهان دریافت می‌کنند و ذوب می‌شوند، و سپس این گرما با تغییر فاز و فرآیند انجماد در شب خنک به محیط باز می‌گردد.

روش‌های مدل‌سازی CFD مزایای متعددی را نسبت به مطالعات تجربی (آزمایشگاهی) در رابطه با صرفه‌جویی در زمان و تعداد احتمالات برنامه‌ریزی‌شده‌ای که ممکن است تحلیل شوند، ارائه می‌کنند. نتایج یک مدل CFD تایید شده می‌تواند شبیه سازی‌های مهم و کامل باشد. پروفایل‌های دینامیکی دمای PCM، نرخ ذوب/انجماد، انرژی ذخیره شده/آزاد شده و غیره از جمله آنها هستند.

با این حال، برای راه‌اندازی یک مدل CFD مناسب برای مبدل‌های حرارتی PCM، چندین ویژگی حیاتی باید ارائه شود، مانند پارامترهای حرارتی معادل، زمانی که مواد مختلف افزایش دهنده انتقال حرارت با PCM مخلوط می‌شوند. علاوه براین، یک مدل تغییر فاز دهنده مناسب برای توصیف رفتارهای ذوب و انجماد PCM باید در مدل CFD استفاده شود.

استفاده از CFD برای کمپرسورهای گریز از مرکز (سانتریفیوژ)

هر صنعتی که از توربوماشین‌ها استفاده می‌کند، باید محصولات با کارایی بالای خود را در سریع‌ترین زمان ممکن در محیط امروزی که «زمان پول است» تولید کند. دینامیک سیالات محاسباتی جایگزین تعداد زیادی از نیازهای آزمایشی می‌شود که نه تنها هزینه‌های توسعه را کاهش می‌دهد، بلکه زمان چرخه طراحی را نیز کوتاه می‌کند.

روش CFD به لطف پیشرفت در منابع کامپیوتری، روش‌های عددی و دردسترس بودن راه‌حل‌های تجاری، به ابزاری قدرتمند برای مرحله طراحی یک پروژه تبدیل شده است. علم CFD به ابزاری کلیدی برای طراحان آیرودینامیکی برای ارزیابی طراحی و درک فیزیک جریان در مسیر جریان کمپرسور تبدیل شده است، به لطف تعداد زیادی اعتبارسنجی و معیارهای موجود در مورد کاربرد CFD برای کمپرسورهای گریز از مرکز. با این حال، CFD هنوز از نظر محاسباتی پرهزینه است و دریافت نتایج معنادار به سطح بالایی از تخصص و تجربه کاربر نیاز دارد. گنجاندن ویسکوزیته در جریان به دشواری تعیین بهترین مدل توربولانسی می‌افزاید.

از سوی دیگر، CFD به دلیل اشتباهاتی که در طول مدل‌سازی معرفی می‌شوند، محدودیت‌هایی دارد. عمدتاً زمانی که فیزیک واقعی ناشناخته است و توصیف آن دشوار است، یا زمانی که بسیاری از تقریب‌ها و خطاهای مدل در طول فرآیند محاسبات ارائه می‌شوند.

پیش بینی آکوستیک با استفاده از CFD

سروصدای محیطی می‌تواند به طور قابل توجهی بر زندگی روزمره ما تأثیر بگذارد، از جمله تداخل در ارتباطات، اختلال خواب، یادگیری، پاسخ‌های مزاحم، اثرات عملکرد و سلامت ما از طریق تأثیرات قلبی عروقی و روانی. طراحان و مهندسان محصول در نوآورترین و موفق‌ترین شرکت‌های جهان این را تشخیص داده‌اند و عناصر عملی کاهش نویز را در فرآیند طراحی محصول خود گنجانده‌اند.

امروزه، CFD یک تکنیک مهم در توسعه و تولید محصولات صنعتی است. این اکنون به لطف دو عامل اصلی امکان پذیر است: بهبود عملکرد رایانه‌های شخصی نسبتاً ارزان و امکانات شبکه و توسعه نرم افزار CFD همه منظوره از نظر پیچیدگی مدل سازی و عملی بودن در محیط صنعتی.

درحالی که دیدگاه‌های CFD برای بسیاری از کاربردها مانند آیرودینامیک، انتقال حرارت و غیره به خوبی تثبیت شده است، شبیه‌سازی‌های CFD هواآکوستیک به‌ویژه در کاربردهای صنعتی همچنان یک مسأله باقی می‌ماند. در سال‌های اخیر، صنعت خودرو هزینه‌های قابل توجهی را در کنسرسیوم‌های آیروآکوستیک در سراسر جهان انجام داده است، که در آن همه خودروسازان پیشرو برای کشف محدودیت‌ها و مزایای CFD هواآکوستیک با یکدیگر همکاری می‌کنند.

به دلیل توربولانسی در جریان هوای اطراف، نویز باد در سطح بیرونی خودرو ایجاد می‌شود. هوای عبوری از خودرو توسط موانعی مانند ستون A، آینه بغل و برف پاک‌کن‌ها مختل می‌شود و درنتیجه، توربولانسی شدید ایجاد می‌شود. با عبور گردابه‌های متلاطم یا برخورد با سطوح صاف، تغییرات فشار در پنجره جانبی، شیشه جلو و سایر پانل‌های بدنه ایجاد می‌شود.

این پست فقط به چند کاربرد CFD نگاه می‌کند که می‌تواند به بهبود مهندسی مکانیک کمک کند. تجارت مکانیکی دارای کاربردهای فراوانی در CFD است؛ از حفاری چاه، گل و لای، و جداکننده شن و ماسه گرفته تا مدل‌سازی آیرودینامیک کامیون، اثر کانتینر و مخزن میکسر برای ارزیابی پارامترهای اصلی مانند سرعت و فشار، که همگی چالش‌های کلیدی در صنعت هستند.

بیشتر جنبه‌های صنعت مکانیک بر دینامیک سیالات متکی است. اگرچه نمونه‌های اولیه فیزیکی برای مراحل بعدی توسعه مورد نیاز است، مطالعات CFD ممکن است به طور قابل توجهی سرعت طراحی و بهینه سازی را در مراحل اولیه افزایش دهد.

خدمات شرکت پردازشگران مهر

گروه پردازشگران مهر پروژه‌های شبیه سازی سفارشی متعددی را برای کاربردهای صنعتی و تحقیقاتی مهندسی مکانیک انجام داد. گروه پردازشگران مهر با چندین سال تجربه در شبیه سازی طیف گسترده‌ای از مسائل در زمینه‌های مختلف CFD با استفاده از نرم افزار ANSYS Fluent، آماده ارائه خدمات گسترده شبیه سازی است. به عنوان مثال، شبیه سازی حفاری چاه، گل و لای و جداکننده شن و ماسه (Well Drilling, Mud, and Sand Separator) برای دستیابی به پارامترهای کلیدی فرایند حل انجام می‌شود.

در این شبیه سازی از یک سوراخ استوانه‌ای به عنوان چاه استفاده شده و یک بدنه چرخان به شکل استوانه در داخل آن قرار داده شده است. یک ماده غیرنیوتنی برای عملیات حفاری در داخل حفره جریان دارد و ذرات گل را در داخل آن مخلوط می‌کند. این بدنه استوانه‌ای دوار می‌تواند ذرات گل مخلوط شده در سیال غیرنیوتنی را با حرکت چرخشی 100 دور در دقیقه جدا و بلند کند. درنتیجه، جریان در چاه با استفاده از یک مدل چندفازی تعریف شده است. این جریان چندفازی دارای یک فاز اصلی مربوط به یک سیال غیرنیوتنی به نام CMC و یک فاز ثانویه مربوط به ذرات گل حفاری است.

تحقیق زیر از نرم افزار ANSYS Fluent برای شبیه سازی جریان هوا در اطراف کامیون (airflow around a truck) استفاده می‌کند. آیرودینامیک شاخه‌ای از مکانیک است که نقش مهمی در طراحی خودرو دارد. این امر به ویژه هنگام ساخت کامیون اهمیت بیشتری دارد. از آنجایی که این وسایل نقلیه سنگین‌تر هستند، مقاومت هوا در حرکت آنها باید تا حد ممکن کاهش یابد تا امکان حرکت بهتر به جلو را فراهم کند. یکی از مهم‌ترین نیروهایی که باید در نظر گرفت، نیروی درگ است که به عنوان مقاومت هوا در برابر حرکت روبه‌جلو تعریف می‌شود.

شبیه‌سازی آیرودینامیک CFD کامیون و محاسبه نیروی درگ به پیش‌بینی دقیق نیروهای مختلف، به‌ویژه نیروی درگ در اطراف کامیون کمک می‌کند. این کار به طور مستقیم بر مصرف سوخت کامیون تأثیر می‌گذارد و از این‌رو، از نظر انرژی و محیط زیست بسیار مهم است.

اختلاط (mixing) فرآیندی در صنعت است که شامل مخلوط کردن مواد ناهمگن برای همگن شدن بیشتر آنها می‌شود. دستگاهی که مواد مختلف را در یک محصول یکنواخت و مخلوط می‌کند، به عنوان مخلوط‌کن (mixer) صنعتی شناخته می‌شود. مخلوط‌کن‌ها تقریباً هر جامد یا مایع مورد نیاز برای ایجاد محصول نهایی را مخلوط می‌کنند. انتقال حرارت و یا انتقال جرم بین یک یا چند جزء یا فاز با اختلاط انجام می‌شود.

اختلاط تقریباً همیشه در فرآیندهای صنعتی مدرن مورد نیاز است؛ زیرا در طول تولید یا فرآوری مورد نیاز است. مخلوط‌کن‌ها به دلیل داشتن موتورها و تیغه‌های قوی می‌توانند طیف وسیعی از مواد را مدیریت کنند. این ماشین‌ها در بخش‌های مختلفی از جمله دارویی، شیمیایی، کشاورزی، مواد غذایی، آشامیدنی و غیره به کار می‌روند.

در این تحقیق یک مخزن مخلوط‌کن (mixer tank) مدل سازی شده و تأثیر پروانه چرخان آن بر فرآیند اختلاط بررسی شده است.

شرکت پردازشگران مهر، متخصص در زمینه شبیه سازی مکانیک

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 مکانیک به شرح زیر دسته بندی می‌شود:

• شبیه سازی CFD آیرودینامیکی خودروها، هواپیماها، و غیره
• شبیه سازی CFD موتورها و سیستم‌های چرخشی و انتقالی
• شبیه سازی CFD سیستم‌های خنک کننده از جمله تهویه مطبوع و یخچال
• تحلیل کاهش نویز و صدا خفه‌کن، در ایرفویل، اتومبیل، هواپیماهای بدون سرنشین و غیره
• شبیه سازی CFD پمپ‌ها، کمپرسورها، فن‌ها، توربین‌ها، دیفیوزرها و …
• شبیه‌سازی CFD مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله، صفحه‌ای، دو لوله‌ای، برج‌های خنک‌کننده خشک و برج‌های خنک‌کننده مرطوب
• تحلیل موتور 2 زمانه و 4 زمانه، جداسازی مخزن و غیره
• شبیه سازی CFD دستگاه‌های تزریق مانند انژکتور، اسپری، پخش گرد و غبار و …
• شبیه سازی CFD سیستم‌های گرمایش (آب گرم‌کن، گرمایش مرکزی، انتقال حرارت از کف، و …)
• شبیه سازی CFD تهویه مطبوع، هواسازی و غیره
• مدل‌سازی پدیده انجماد و ذوب
• شبیه سازی CFD اوریفیس و اندازه گیری سیال
• شبیه سازی CFD جریان کانال باز (قایق‌ها، کشتی‌ها و زیردریایی‌ها)
• شبیه سازی CFD واکنش‌های شیمیایی مانند احتراق، حذف NOx و غیره
• شبیه سازی CFD انتقال حرارت، خنک کننده الکترونیکی، مدیریت حرارتی و غیره
• تحلیل جریان‌های چندفازی (سرریز، ته‌نشینی، و …)
• و ..…

شما می‌توانید محصولات مرتبط با دسته شبیه سازی مکانیک 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 مکانیک 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.