دینامیک سیال محاسباتی (CFD) چیست - و واقعاً چگونه کار می کند؟

اتومبیل و هواپیماها ، تهویه هوا و باتری ها ، از جمله دیگر ، همه به مایعات متکی هستند تا در بهترین حالت کار کنند. با این حال ، حل مشکلات سیال بسیار دشوار است. بنابراین چگونه مهندسان بر اساس مشکلات سیال تصمیمات طراحی می گیرند؟آیا آنها فقط باید به آزمایش فیزیکی اعتماد کنند؟البته که نه! آنها از CFD یا دینامیک سیال محاسباتی استفاده می کنند. CFD ابزاری است که به ما امکان می دهد جریان مایعات را با استفاده از قدرت محاسباتی مدل کنیم. در این وبلاگ ، ما مختصراً از آنچه CFD است ارائه خواهیم داد و تاریخ ، برنامه های کاربردی و نظریه پشت آن را نشان می دهیم.

تاریخ بسیار مختصر CFD

اساس CFD ریشه در معادلات Navier-Stokes دارد ، که توسط سر جورج استوکس هنگام اضافه شدن شرایط چسبناک در اواسط قرن نوزدهم نهایی شد. با استفاده از این معادلات ، به همراه رایانه ، آزمایشگاه ملی Los Alamos تکنیک های مدل سازی زیادی را برای جریان سیال در دهه های 1950 و 1960 ایجاد کرد. اولین مقاله علمی که از یک مدل سه بعدی در مشکلات جریان سیال استفاده می کند ، توسط جان هس و A. M. O منتشر شد. اسمیت در سال 1967. الگوریتم بیشتر توسط برایان اسپالدینگ و Suhas V. Patankar در امپریال کالج لندن در دهه 1960 و 1970 انجام شد ، که مهمترین آنها الگوریتم ساده است. اولین نرم افزار تجاری CFD ، Phoenics ، در سال 1981 منتشر شد. امروز ، با رایانه های بسیار قدرتمندتر ، CFD به بخشی جدایی ناپذیر از فرایند طراحی برای انواع صنایع تبدیل شده است.

چرا از CFD استفاده می کنیم؟

مایعات نقش مهمی در بسیاری از کاربردهای مهندسی دارند ، از آیرودینامیک یک راککار تا جریان آب در یک لوله. این جریان ها به ندرت قادر به حل با دست هستند (همانطور که بعداً در این وبلاگ خواهیم فهمید!). CFD به ما اجازه می دهد تا این مشکلات جریان را حل کنیم و به ما اجازه می دهد تا در مراحل طراحی تصمیم گیری کنیم و هم در وقت و هم در هزینه صرفه جویی کنیم.

این نمونه های زیر را از شبیه سازی ها با استفاده از CFD بررسی کنید:

نمونه هایی از CFD

آیرودینامیک یک مسابقه

تجزیه و تحلیل مصرف هوا

تجزیه و تحلیل انتقال حرارت مزدوج یک ماژول الکترونیک

نظریه CFD

همانطور که قبلاً گفتیم ، اساس CFD ریشه در معادلات Navier-Stokes دارد. در زیر ما به جزئیات این معادلات و نحوه اعمال آنها برای حل یک مشکل CFD خواهیم پرداخت. این بخش ممکن است کمی خشک باشد ، اما این مهم است.

برای این وبلاگ، فرض می کنیم که سیالات نیوتنی، تراکم ناپذیر و همدما هستند. سیال همدما فقط به این معنی است که دما در یک مقدار ثابت باقی می ماند. سیال تراکم ناپذیر به این معنی است که چگالی سیال تغییر نمی کند. از نظر فنی، همه سیالات تراکم پذیر هستند، اما تغییر در چگالی آنقدر کوچک است که در نظر گرفتن آنها به عنوان تراکم ناپذیر، تأثیر قابل توجهی در نتایج برای اعداد ماخ پایین (نسبت سرعت جریان به سرعت صوت) ندارد. تراکم پذیرترین سیالات گازهایی هستند که با سرعت های مافوق صوت حرکت می کنند، جایی که تراکم پذیری و هوا الاستیسیته اتفاق می افتد. سیال نیوتنی به این معنی است که ویسکوزیته مستقل از نرخ برش است. سس کچاپ را به عنوان یک مایع غیر نیوتنی در نظر بگیرید اگر فقط آن را واژگون کنید، ممکن است به سرعت از بطری خارج نشود، اما اگر بطری را تکان دهید، خیلی سریعتر بیرون می ریزد. اگر همین کار را با یک بطری آب انجام می دادید، چه آن را تکان دهید یا نه، تفاوتی نمی دید.

با این پیش فرض ها، اجازه دهید وارد معادلات ناویر-استوکس شویم. این معادلات بقای حرکت را بیان می کنند. شکل ساده شده معادلات ناویر-استوکس در زیر نشان داده شده است. این فرم شامل سه معادله مختلف است زیرا می توان آن را به اجزای x، y و z در یک فیلد برداری سه بعدی تقسیم کرد.