مفهوم دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)

مفهوم دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)

برای تحلیل رفتار سیال، دانستن سرعت و فشار آن در تمامی قسمت ها الزامی است. معادلات حاکم بر جریان سیال، معادلات بقای جرم و بقای مومنتوم هستند که اصطلاحا ناویر-استوکس(Navier-Stoks) نامیده می شوند. معادلات ناویر استوکس غیرخطی بوده و بدون اعمال فرضیات ساده‌کننده، ریاضیات قادر به حل آن‌ها نیست. برای تجزیه و تحلیل این معادلات از روش های عددی استفاده می شود. دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) علمی است که با استفاده از فرضیات ساده شونده این معادلات را به کمک کامپیوتر حل می کند.

مرحله اصلی در شبیه‌سازی جریان با CFD، شبکه‌بندی یا تولید مش (Mesh) می‌باشد. اصول کار بدین صورت است که حجم یا سطح مورد محاسبه، بصورت اشکال موجود در شکل 1 به قسمت های بسیار کوچکی تقسیم می شوند. انتخاب این اشکال بستگی زیادی به نوع مسئله فیزیکی و شرایط جریان دارد. به میزانی که اضلاع هر قسمت از شکل تولید شده برابر باشند،کیفیت مش‌بندی افزایش می‌یابد. کیفیت شبکه ایجاد شده تاثیر بسیار زیادی در دقت و پایداری حل دارد. بنابراین، لازم است دقت و حوصله زیادی جهت تولید شبکه مناسب به کار برده شود؛ زیرا در شرایطی که مش کیفیت مناسبی نداشته باشد، همگرا کردن حل، بسیار مشکل خواهد بود.

شکل 1:   انواع سلول‌های سه بُعدی
cfd pic

در شکل 2، مش‌بندی یک مخزن مورد مطالعه نشان داده شده است. همانطور که در شکل مشخص است برای تولید یک شبکه باکیفیت لازم است تعداد سلول‌های شبکه بسیار زیاد و به اصطلاح مش‌بندی کاملا ریز باشد. اما باید توجه کرد که ممکن است برای یک مش با تعداد المان زیاد، کامپیوتر مناسبی در دسترس نباشد و یا زمان محاسبه بسیار زیاد و طاقت فرسا گردد. از این رو، ایجاد مش با دقت و باکیفیت یکی از چالش‌های بزرگ حل مسائل است که بستگی بسیار زیادی به تجربه کاربر CFD دارد.

شکل 2:   مش بندی باکیفیت یک مخزن همزن‌دار 

پس از تولید مش مناسب و حل معادلات حاکم در گره‌های تولید شده، زمانیکه اختلاف جواب گره‌های مجاور به کمتر از 0.0001 رسید؛ نتایج همگرا گشته و کانتور های سرعت و فشار به عنوان خروجی بدست می‌آیند که نمونه‌های آن در ذیل قابل مشاهده هستند :

کانکتور سرعت : 
الگوی حرکت سیال : 
کانتور توضیع فشار : 
X