مدل سازی CFD ، تجزیه و تحلیل و شبیه سازی آنلاین برای مبتدیان

CFD مخفف "پویایی سیالات محاسباتی" است و همانطور که از نام آن پیداست ، شاخه ای از مکانیک های سیال است که از رایانه ها برای تجزیه و تحلیل رفتار مایعات و سیستم های فیزیکی استفاده می کند. مدل سازی و تجزیه و تحلیل CFD به یک راه حل محبوب شبیه سازی آنلاین تبدیل شد زیرا مشکل در استفاده از قوانین فیزیک به طور مستقیم در سناریوهای زندگی واقعی به منظور پیش بینی های تحلیلی افزایش یافت. این واقعیت به ویژه برای جریان سیال و مشکلات مهندسی انتقال حرارت شیوع یافت.

مبانی تجزیه و تحلیل CFD مقدمه ای بر مکانیک سیالات و انتقال حرارت

مکانیک سیال علمی است که رفتار فیزیکی مایعات را مورد مطالعه قرار می دهد: مایعات ، گازها و پلاسما. به همین ترتیب ، نیروهایی را که بر روی بدن سیال عمل می کنند و تغییرات متعاقب آن در زمینه های داخلی مانند سرعت ، فشار ، تراکم و دما را نشان می دهد. این روابط از نظر ریاضی از طریق معادلات دیفرانسیل بیان شده است ، معادلات Navier-Stokes نتیجه ای از قوانین شناخته شده برای رفتار مایعات چسبناک است:

معادلات Navier-Stokes ، به شکل بردار ساده

از طرف دیگر ، انتقال حرارت مطالعه چگونگی تولید ، ذخیره ، ذخیره ، حمل و تغییر انرژی حرارتی است. مکانیسم های اصلی مورد تجزیه و تحلیل عبارتند از:

• هدایت حرارتی: (انتشار) گسترش گرما در مواد مانند مواد جامد یا مایعات ، از مناطق با دمای بالا به مناطقی از دمای پایین.
• همرفت حرارتی: حمل و نقل گرما با جریان مایع. جریان سیال را می توان با کار خارجی (همرفت اجباری) یا با شناور هدایت کرد ، که حرکت سیال با چگالی متفاوت در حضور گرانش (همرفت طبیعی) است.
• تابش حرارتی: تولید و جذب گرما از طریق امواج الکترومغناطیسی.
• تغییرات فاز: انتشار یا جذب گرما از طریق انتقال مانند جوش ، ذوب ، تراکم و غیره.

قوانین فیزیک برای جریان سیال و انتقال حرارت از نظر معادلات دیفرانسیل بیان می شود ، بیشتر اوقات با بسیاری از متغیرهای مرتبط. این اتفاق می افتد که برخی از معادلات برای هر دو زمینه مشابه هستند. به عنوان مثال ، انتشار یک مقیاس از طریق یک میدان جریان و انتشار دما.

شبیه سازی CFD انتقال حرارت همرفتی در لامپ. منبع: Simscale.

عمومی ترین این قوانین برای جریان مایعات مجموعه معادلات Navier-Stokes است. با این حال ، به دلیل پیچیدگی آنها ، حل این معادلات برای راه حل های دقیق فقط برای ساده ترین موارد قابل دستیابی است.

دینامیک سیال محاسباتی چگونه کار می کند؟

این جایی است که تجزیه و تحلیل عددی و رایانه ها برای بازی در می آیند. شبیه سازی آنلاین. CFD با استفاده از تقریب های عددی ، معادلات دیفرانسیل کامل را به سیستم های معادلات خطی تبدیل می کند ، که سپس برای به دست آوردن مقادیر میدانی مانند سرعت ، فشارها و دما بر روی تعداد محدود (اما اغلب بزرگ) در دامنه مشکل حل می شوند. واد

اگرچه روشهای عددی برای به دست آوردن راه حل های تقریبی برای معادلات دیفرانسیل برای قرن ها وجود داشته است ، اما توانایی رایانه ها برای ذخیره مقادیر زیادی از داده های عددی و انجام عملیات سریع بر روی آنها همان چیزی است که فناوری را به عملی ترین ابزار برای فیزیکدانان و مهندسان تبدیل کرده است. در عین حال ، این بدان معنی است که اغلب می توان دریافت که استفاده از CFD در مشکلات عملی با قدرت محاسباتی موجود محدود است.

شبیه سازی جریان هوای غیر قابل فشار از طریق یک توربین بادی

تجزیه و تحلیل CFD به دلیل تطبیق پذیری آن در حل عددی معادلات حالت و رفتار فیزیکی ، که به شکل دیفرانسیل یا صریح بیان شده است ، مدل سازی سیال را امکان پذیر می کند. همچنین ، تجزیه و تحلیل مدل سازی CFD به عنوان مشکلات انتقال حرارت از اهمیت عملی برخوردار است ، هر ابزار شبیه سازی شایسته شامل ماژول هایی برای محاسبه توزیع دما در کنار فشار و سرعت است. همچنین ، برخی از برنامه ها همچنین می توانند شامل تجزیه و تحلیل مواد جامد برای تغییر شکل الاستیک یا واکنشهای شیمیایی ، از جمله سایر برنامه های غیر سیال باشند.

برخی از موارد استفاده معمولی برای مدل سازی CFD و شبیه سازی آنلاین CFD شامل موارد زیر است:

• به منظور پیش بینی افت فشار ، سرعت و سازندهای گرداب ، از طریق لوله کشی و لوازم جانبی مانند دریچه ها ، Tees و کاهش جریان می یابد.
• آیرودینامیک وسیله نقلیه ، از جمله خودرو و هواپیما ، به منظور پیش بینی کشیدن ، آسانسور و نیروی دریایی.
• مهندسی باد برای ساختمانها و تجزیه و تحلیل باد ، برای پیش بینی نیروهای بادی ، تشکیل گرداب و راحتی عابر پیاده.
• سیستم های HVAC ، برای ارزیابی عملکرد مجاری یا بهینه سازی راحتی حرارتی برای تهویه مصنوعی یا طبیعی و مصرف انرژی.
• مبدلهای حرارتی ، برای پیش بینی انتقال حرارت و افت فشار.
• خنک کننده الکترونیک ، برای پیش بینی عملکرد استراتژی های خنک کننده طبیعی و اجباری.
• آسیاب های بادی ، برای پیش بینی بالابر تیغه ، سرعت و تولید برق با سرعت باد.
• پراکندگی آلودگی و کنترل آلودگی هوا ، طراحی اتاق تمیز.
• ساختارهای کشتی و دریایی برای عملکرد هیدرودینامیکی.

برای شروع درک چگونگی عملکرد مدل سازی و تجزیه و تحلیل CFD ، در اینجا لیستی از ویژگی های معمولی یک مشکل CFD وجود دارد:

• این مشکل بر روی یک هندسه بسته تعریف شده است ، که به آن "دامنه" محصور شده توسط "مرز" آن گفته می شود.
• پدیده های شبیه سازی شده به خوبی تعریف شده است ، مانند وجود انتقال حرارت ، جریان آشفته ، واکنش های شیمیایی ، مراحل متعدد ، بدن های متعدد و غیره ، با خصوصیات و ضرایب شناخته شده مواد برای معادلات حالت.
• مقادیر اولیه و همچنین مقادیر در مرزهای مربوط به زمینه های در نظر گرفته شده شناخته شده اند. این ممکن است شامل فشارها ، سرعت جریان ، دیوارها ، دما ، منابع گرما و غیره باشد.
• هندسه دامنه به اشکال اساسی کوچک معروف به "سلول" تقسیم می شود. مجموعه تمام سلول ها به عنوان "مش" شناخته می شوند. اندازه سلول ها دقت محلول را تعیین می کنند (هرچه بهتر باشد) ، اما تعداد مورد استفاده تقاضا برای حافظه رایانه را تعریف می کند (سلولهای کوچکتر ، تعداد بالاتر ، حافظه بیشتر مصرف می شود ، زمان بیشتری برای محلول بیشتر می شود. روند انجام خواهد شد).

کدام نرم افزار CFD تجاری در دسترس است؟

بسیاری از پیشنهادات نرم افزاری CFD در بازار وجود دارد که برخی از آنها از نظر عمومی با قابلیت های زیادی و برخی متناسب با برنامه های خاص. شرکت ها حتی کدهای داخلی خود را برای کارهای خاص مهندسی تهیه می کنند. در اینجا لیستی از پرکاربردترین سوئیت های عمومی در صنعت آورده شده است:

• Ansys Fluent و CFX
• ستاره سی سی سی
• Comsol
• OpenFoam (منبع آزاد ، منبع باز)
• ابزارهای یکپارچه CAD در SolidWorks/Autodesk (عملکردهای اساسی)

یک جایگزین بسیار خوب برای سوئیت های سنتی و مبتنی بر ایستگاه کاری دسک تاپ ، پلت فرم شبیه سازی آنلاین Simscale است. این بنا بر روی حل کننده های مستقر از جمله OpenFoam ساخته شده است و یک گردش کار آسان را ارائه می دهد ، یک رابط کاربری مدرن از مرورگر وب با محاسبات اجرا شده از سرورهای از راه دور و از بین بردن دستگاه های محلی شما از کارهای فشرده و طولانی ساخته شده است.

صنایع کلیدی با استفاده از تجزیه و تحلیل CFD

در اینجا برخی از نماینده ترین بخش های صنعتی که از قدرت تجزیه و تحلیل CFD استفاده می کنند ، و توضیحات کوتاهی در مورد اینکه چرا این کار را انجام می دهند:

خودرو

صنعت خودرو برای بسیاری از برنامه ها از CFD استفاده می کند که مهمترین آنها آیرودینامیک وسیله نقلیه است. تجزیه و تحلیل CFD برای پیش بینی کشش ، پایین آمدن و ثبات در برابر جریان گوشه ای/چهارراه استفاده می شود. سایر برنامه های کاربردی خودرو شامل احتراق موتور و عملکرد حرارتی ، تهویه ، دود اگزوز و موارد دیگر است. در اینجا پیوندی به یک پروژه مثال که شبیه سازی آیرودینامیک یک ماشین F1 است.

شبیه سازی جریان هوا در اطراف یک وسیله نقلیه F1 پیچیده

هواپیمایی

در صنعت حمل و نقل هوایی ، کاربرد اصلی CFD نیز آیرودینامیک است ، با هدف بهینه سازی نسبت آسانسور/کشیدن و مطالعه بی ثباتی. در اینجا یک پروژه مثال در آیرودینامیک هواپیما وجود دارد ، که در مورد چگونگی شبیه سازی می تواند بینش ارزشمندی در مورد جریان هوا و عملکرد هواپیما ارائه دهد. سایر زمینه های مهم برای شبیه سازی آنلاین در صنعت حمل و نقل هوایی شامل تهویه و تصفیه هوا است.

شبیه سازی CFD جریان هوا در اطراف یک هواپیمای تجاری. منبع: Simscale

تولید

در صنعت تولید ، از CFD برای مطالعه عملکرد سیستم خنک کننده در محصولات مصرفی ، به ویژه آنهایی که از الکترونیک استفاده می کنند استفاده می شود. در اینجا یک پروژه مثال - طراحی محفظه برای یک تمشک Pi.

خنک کننده همرفت غیرفعال و فعال از Raspberry Pi PCB

پویایی سیالات محاسباتی را بیاموزید که چرا مهم است؟

از آنجا که چرخه های توسعه محصول به موقع کوتاه تر می شوند و هرچه محصولات بیشتر و بیشتر برای دستیابی به موفقیت به عملکرد دقیق متکی هستند ، شبیه سازی آنلاین عددی همیشه اهمیت بیشتری کسب می کند. توانایی آن در پیش بینی های دقیق عملکرد با گردش کار سریع ، قابل اعتماد و آسان امکان حمل بهینه سازی را از ایستگاه کاری مهندس ، حتی قبل از ساخت اولیه اولیه ، از بین می برد.

شبیه سازی CFD از این روند مستثنی نیست و با ارائه شبیه سازی آنلاین مانند SimScale ، که قدرت محاسباتی و گردش کار بهینه زیادی را با قیمت های مقرون به صرفه به ارمغان می آورد ، بدون دردسر نرم افزار پیچیده CFD و نصب های سخت افزاری ، این مزایا به تعداد بیشتری قابل دستیابی استاز شرکت ها ، حتی کسانی که در بودجه سخت هستند.

CFD و Simscale نحوه یادگیری تجزیه و تحلیل CFD با SimScale

اگر می خواهید در مورد مدل سازی CFD ، شبیه سازی آنلاین CFD و CFD اطلاعات بیشتری کسب کنید و از مزایای آن برای پروژه های خود استفاده کنید ، من به شما توصیه می کنم:

• برای یک حساب Simscale رایگان ثبت نام کنید ، جایی که می توانید بلافاصله شبیه سازی کنید. به عنوان مثال ، مخزن پروژه های CFD عمومی برای شبیه سازی جریان هوا و موارد دیگر را بررسی کنید.
• به وبلاگ های CFD در وب بروید ، در اینجا لیستی از برخی از موارد وجود دارد.
• در حالی که در آن هستید ، وبلاگ Simscale را برای همه چیز CFD بررسی کنید.
• مستندات را در Simwiki بخوانید.

با ایجاد یک حساب کاربری در پلت فرم Simscale ، شبیه سازی مبتنی بر ابر خود را از طریق وب تنظیم کنید. هیچ نصب ، سخت افزار ویژه یا کارت اعتباری لازم نیست.