شبیه سازی به روش CFD
شبیه سازی به روش CFD یا همان مدلسازی جریان با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی یک تکنیک شبیه سازی عددی است. در واقع CFD روشی است که در آن می‌توان با شکستن قلمرو فیزیکی به فضاهای کوچک (شبکه یا المان بندی) و استخراج معادلات مناسب حاکم بر جریان برای هر یک از این فضاها (گسسته سازی معادلات) مسائل مرتبط با دینامیک سیالات را حل کرد. با استفاده از CFD می‌توان یک جریان را بطور کامل شبیه سازی کرد. با استفاده از این روش نه تنها رفتار جریان پیشگوئی می‌گردد، بلکه پدیده هایی نظیر انتقال حرارت یا جرم، تغییر فاز، واکنشهای شیمیایی، جریانهای چند‌فازی، حرکتهای مکانیکی (همانند حرکت پره‌های پمپ) و خیلی مسائل دیگر مربوط به سیال را نیز می‌توان شبیه سازی نمود. البته باید توجه داشت که برای هر مسئله خاص از معادلات حاکم مربوطه و نیز معادلات اسکالر اضافی، استفاده می‌شود. تمامی کاربردهای دینامیک سیالات عددی از ویژگیهای مشترکی برخوردار است. این ویژگیها شامل دلایل استفاده از CFD، مشکلات موجود و خطاها در آن می‌باشد.
نکات مهم در شبیه سازی به روش CFD
برای نوشتن یک برنامه رایانه ای یا استفاده از آن برای حل میدان جریان، علاوه بر توانایی فردی در برنامه‌نویسی، آشنایی با نرم افزار و دانش او در زمینه محاسبات عددی، موارد بسیاری وجود دارد که باید در انجام کار به آن توجه ویژه داشت. بدیهی است که نادیده گرفتن موارد مهم زیر در دینامیک سیالات عددی، موجب کاهش کارایی و حتی عدم اعتماد به برنامه می‌شود.
– تولید شبکه: تولید یک شبکه مناسب تأثیر بسیار زیادی در دقت نتایج بدست آمده خواهد داشت. لازم است در نواحی که گرادیانهای جریان زیاد است و یا سطح جسم از لحاظ هندسی با تغییرات زیادی همراه است، شبکه از تراکم مناسبی برخوردار باشد. همچنین، جواب نهایی مستقل از شبکه باشد. بعبارت دیگر، شبکه باید تا اندازه‌ای ریز شود که تمام مقیاسهای طولی و زمانی جریان را صید کرده و با ریزتر کردن آن تغییری در نتایج محاسبه شده حاصل نگردد. توجه شود که شبکه‌ای که بیش از حد ریز شود علاوه بر بحث افزایش زمان رایانه، عواقبی از قبیل اضافه شدن خطاهای همگرایی نیز دارد.
– شرائط مرزی: تعریف دقیق شرائط مرزی از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. در صورت تعریف نامناسب شرائط مرزی احتمال واگراشدن حل بسیار بوده و حتی در صورت همگراشدن نتایج بدست آمده بهیچ عنوان قابل اعتماد نیست (استفاده از شرائط مرزی نامناسب به معنی حل یک مسئله متفاوت می باشد).
– مدلسازی فیزیکی و ریاضی: لازمست فیزیک جریان به درستی مشخص گردد و از مدل‌های ریاضی مناسب برای شبیه سازی پدیده‌های فیزیکی و حتی شیمیایی (جریانهای همراه با واکنش شیمیایی) استفاده شود. تشخیص و تعیین اشتباه فیزیک مسئله و یا انتخاب نامناسب مدل‌های ریاضی باعث واگرایی، اخلال در همگرایی، عدم دقت و یا حتی نادرستی نتایج بدست آمده می‌شود.
– حساسیت برنامه: برنامه نوشته شده (یا تنظیمات انجام شده در نرم افزار) تا حد ممکن نباید حساس باشد. در برنامه‌های دینامیک سیالات عددی این حساسیت ممکن است مربوط به شرائط مرزی، الگوریتم و یا شبکه تولید شده باشد.
– پایداری: در برنامه‌ها و یا شبیه سازی‌هایی که از روشهای صریح برای حل عددی میدان جریان استفاده می‌شود، امکان ناپایداری در فرآیند حل بسیار زیاد است. بنابراین، لازم است در تعریف گام زمانی و کیفیت شبکه تولید شده، دقت شود.
– راندمان (نرخ همگرائی): یکی از معیارهای کارائی یک برنامه راندمان آن می‌باشد. در صورتیکه گسسته‌سازی معادلات حاکم و الگوریتمهای استفاده شده و همچنین کیفیت شبکه مطلوب باشد، راندمان برنامه افزایش می‌یابد.
– غیر حساس بودن به تغییرات جزئی شبکه: برنامه تولید شده باید از این ویژگی برخوردار باشد که با تغییر جزئی شبکه، نتایج بدست آمده بطور چشمگیر تغییر نیابد.
– دقت حل: یکی از مهمترین ویژگیهای یک برنامه دینامیک سیالات عددی دقت آن است. استفاده از روشهای گسسته‌سازی مرتبه بالاتر، بهره‌گیری از دقت مضاعف2، شبکه های ریزتر و همچنین انتخاب مدل‌های ریاضی مناسب‌تر از جمله راهکارهای افزایش دقت در کسب نتایج بهتر می‌باشد.
– پس پردازش و گرافیک: در ارائه نتایج بدست آمده، نمودراها، منحنی‌ها، کانتورها (خطوط همتراز) و غیره، نقش غیر قابل انکاری در ارائه مناسب نتایج دارد. استفاده بهینه از این ویژگیها، موجب افزایش بینش محقق در مورد نتایج و همچنین افزایش کیفیت ارائه آنها می شود.
– توانائی رایانه: یک برنامه کارآمد دینامیک سیالات عددی بدون سخت افزار مناسب عملاً غیر قابل استفاده است. اگر چه در سالیان اخیر سخت‌افزارهای رایانه‌ی پیشرفت چشمگیری داشته، اما هنوز مسائل بیشماری وجود که نمی‌توان آنها را با استفاده از پیشرفته‌ترین رایانه‌های شخصی شبیه سازی نمود. برای رفع این مشکل از ابر رایانه ها و یا سیستمهای پردازش موازی استفاده می‌شود.
مطالب مرتبط