مقدمه‌ای بر CFD و نرم‌افزارهای شبیه‌سازی_بخش ۲
تقسیم دامنه حل به سلول‌های بسیار کوچک، موجب می‌شود بتوان تغییرات متغیرهای حل، در فاصله کوتاه یک سلول را خطی و بعضا ناچیز فرض نمود. بدین ترتیب، امکان خطی‌سازی و ساده‌سازی معادلات ناویر استوکس، بر روی اجزای دامنه حل فراهم می‌شود. از یکپارچه‌سازی و برقراری ارتباط بین سلول‌ها، در مجموع، رفتاری تقریبی از جریان سیال، نشان داده می‌شود. با افزایش تعداد سلول‌ها در دامنه حل و به دنبال آن کوچک‌تر شدن سلول‌های محاسباتی، فرض خطی‌سازی برخی متغیرها و ثابت ماندن برخی دیگر در هر سلول، منطقی‌تر بوده و نتایج محاسبات به داده‌های واقعی، نزدیک‌تر خواهد شد. به این روش، روش حل عددی گفته می‌شود. روش‌های حل عددی در حیطه مهندسی مکانیک، به صورت خاص، با نام دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)، شناخته می‌شوند و غالب نرم‌افزارهای شبیه‌سازی مکانیک سیالات، بر این اساس کار می‌کنند.
بسته به روش‌ها و تکنیک‌های مورد استفاده، دقت و نرخ همگرایی نتایج و توانایی شبیه‌سازی فیزیک‌های مختلف، نرم‌افزارهای مختلفی به بازار ارائه شده‌است که هر یک در گستره‌ای از حوزه‌های مرتبط با مهندسی مکانیک، هوافضا، هیدرولیک، شیمی، پزشکی و غیره کاربرد دارند. قابل ذکر است در کنار نرم‌افزارهای معرفی شده در این بخش، نرم‌افزارهایی خاص، با دیدگاه‌هایی متفاوت از CFD نیز وجود دارد که گستره کاربرد آن‌ها، در مقایسه با نرم‌افزارهای CFD، بسیار محدود است. نرم‌افزارهای بر پایه روش‌های SPH و Lattice Boltzmann از این گروه‌اند. در ادامه به معرفی مختصری از پرکاربردترین نرم‌افزارهای حوزه CFD، می‌پردازیم.
- نرم‌افزار STAR-CCM+
این نرم‌افزار یکی از نرم‌افزارهای پرکاربرد برای تحلیل جریان و واکنش در حیطه‌های مختلف مهندسی و خصوصا در حوزه مهندسی آیرودینامیک و هوافضاست که در بسیاری از دانشگاه‌ها و صنایع معتبر جهان، مورد استفاده قرار می‌گیرد. این نرم‌افزار از نظر شمول فیزیک‌های مختلف و همچنین ادبیات کاربری نزدیک به مراجع دانشگاهی، تا حدودی شبیه به نرم‌افزار FLUENT است. نرم‌افزار STAR-CD از این خانواده، در شبیه‌سازی موتورهای احتراق داخلی، کاربرد دارد.
شکل ۸- نمایی از نرم‌افزار STAR-CCM+
- نرم‌افزار OPEN-FOAM
این نرم‌افزار، یکی از معدود نرم‌افزارهای کد-باز در زمینه CFD است، که به دلیل امکان مشاهده و ویرایش معادلات و روش‌های دخیل در شبیه‌سازی و همچنین افزودن معادلات و مدل‌های جدید، در بسیاری از پروژه‌های دانشگاهی، مورد استفاده قرار می‌گیرد. علاوه بر این، برخی از صنایع معتبر جهان، با استفاده از حل‌گرهای پایه این نرم‌افزار، نرم‌افزارهایی تخصصی، برای تحلیل و شبیه‌سازی فیزیک‌های خاص مورد نظر خود استخراج نموده‌اند.
نرم‌افزار اختصاصی شبیه‌سازی انفجار بر روی واحدها و سکوهای نفتی، مورد استفاده توسط شرکت SHELL ، نمونه‌ای از این کاربردهاست. این نرم‌افزار، اولین بار در سال ۱۹۸۰، توسط کالج سلطنتی لندن تهیه و منتشر گردید و در حال حاضر نیز توسط بنیادی به همین نام و با مشارکت داوطلبانه گروهی از متخصصان CFD پشتیبانی می‌شود. به دلیل عدم گردش مالی مشخص و به روزرسانی نرم‌افزار توسط موسسه و شرکتی انتفاعی، توسعه این نرم‌افزار در مقایسه با نرم‌افزارهای تجاری همچون FLUENT و CFX کندتر، و کاربری آن نیز قدری دشوارتر است.
شکل ۹- نمایی از نرم‌افزار Open-FOAM
شکل ۱۰- نمایی از نرم‌افزار Shell برای شبیه‌سازی انتشار و انفجار در سکوهای نفتی
شکل ۱۱- نمایی دیگر از نرم‌افزار Shell برای شبیه‌سازی انتشار و انفجار در واحدهای نفت و گاز
- نرم‌افزار Flow-3D
این نرم‌افزار یکی از نرم‌افزارهای پرکاربرد در تحلیل‌های CFD است که با وجود امکان کاربری در فیزیک‌های مختلف، از توانایی بالا و کاربرد گسترده‌تری، در شبیه‌سازی‌های هیدرولیک و ریخته‌گری برخوردار است و به همین دلیل، بسیاری از مهندسان عمران آب و هیدرولیک، از آن بهره می‌برند. انتشار اولین نسخه این نرم‌افزار مربوط به سال‌های ۱۹۸۰ است. به دلیل استفاده از شبکه‌های غیر منطبق بر هندسه (Non Body Fitted)، استفاده از آن بر روی هندسه‌های بسیار پیچیده و دارای گوشه‌ها و زوایای تیز، چندان توصیه نمی‌شود. کاربری این نرم‌افزار، در مقایسه با سایر نرم‌افزارهای CFD، بسیار ساده است.
شکل ۱۲- شبیه‌سازی هیدرولیک با استفاده از نرم‌افزار Flow-3D
- نرم‌افزار COMSOL
این نرم‌افزار با وجود قدمت نسبتا طولانی، در سال‌های اخیر، از شهرت بالاتری برخوردار شده است. شهرت بیشتر این نرم‌افزار، به خاطر امکان شبیه‌سازی فیزیک‌های چندگانه است. شبیه‌سازی جریان هوا، انتقال حرارت و الکترومغناطیس در یک الکتروموتور، نمونه‌هایی از فیزیک‌های چندگانه‌ای است که در این نرم‌افزار مورد بررسی قرار می‌گیرد. در سال‌های اخیر به تعداد کاربران عمومی این نرم‌افزار، افزوده شده است. مهندسی شیمی، یکی از زمینه‌های اصلی کاربرد این نرم‌افزار است.
نرم‌افزار COMSOL، اولین بار در سال ۱۹۸۶، توسط دو متخصص CFD، در استکهلم سوئد بنیان‌گذاری شد، لیکن اولین نسخه شامل فیزیک‌های چندگانه آن، در سال ۱۹۹۸ منتشر گردید. دکتر فرهاد سعیدی یکی از بنیان‌گذاران و مدیرعامل شرکت صاحب‌امتیاز این نرم‌افزار است.
شکل ۱۳- نمایی از نرم‌افزار COMSOL
- نرم‌افزار NUMECA
این نرم‌افزار نیز با وجود سابقه قابل توجه، در سال‌های اخیر از شهرت، اعتبار و گسترش بالاتری برخوردار شده است. مزیت اصلی این نرم‌افزار، امکان تولید ساده و سریع شبکه محاسباتی و تحلیل نتایج برای انواع تجهیزات توربوماشینری است. دلیبه ل آسانی شبیه‌سازی همزمان طبقات یک کمپرسور و توربین، این نرم‌افزار از سرعت گسترش بالایی در صنایع مختلف برخوردار است.
شکل ۱۴- شبیه‌سازی پمپ گریز از مرکز در نرم‌افزار NUMECA
نرم‌افزارهای مورد استفاده در این کتاب
در نگارش این کتاب، از ۶ نرم‌افزار رایج و قدرتمند در زمینه CFD استفاده شده است و تلاش گردیده، با ارائه مثال‌هایی متنوع، در هر نرم‌افزار، مجموعه‌ای برای کاربر فراهم گردد، که به عنوان پایه‌ای برای غالب پروژه‌های CFD، مورد استفاده قرار گیرد. در ادامه، به معرفی نرم‌افزارهای مورد استفاده در این کتاب خواهیم پرداخت.
نرم‌افزار FLUENT
این نرم‌افزار یکی از قدیمی‌ترین نرم‌افزارهای عمومی در زمینه دینامیک سیالات محاسباتی است که ارائه اولین نسخه آن، مربوط به به سال ۱۹۸۳ و همزمان با نرم‌افزار دیگری به نام Phoenix است. این نرم‌افزار در آغاز، با کاربردهای دانشگاهی و امکانات محدود، بر پایه حل‌گر سازمان یافته ارائه گردید، لیکن در گذر زمان و ارائه نسخه‌های جدید، به مدل‌ها و قابلیت‌های آن اضافه گردید و از نسخه‌های ۶ به بعد، امکان شبیه‌سازی بر روی شبکه‌های بدون سازمان فراهم گردید. در سال ۲۰۰۶، این نرم‌افزار توسط شرکت ANSYS خریداری گردید و پس از آن با نام تجاری ANSYS-FLUENT و به صورت بخشی از مجموعه نرم‌افزاری ANSYS منتشر می‌شود.
شکل ۱۵- تاریخچه انتشار و توسعه نرم‌افزار FLUENT
در حال حاضر، ANSYS برنامه‌های توسعه بسیاری، برای FLUENT در نظر دارد و آخرین نسخه آن (ANSYS FLUENT 16) که به تازگی ارائه گردیده است، از نظر توسعه مدل‌ها، قابل توجه است. با وجود توسعه و بهبود گسترده در نسخه‌های جدید، ساختار کلی و روش‌های شبیه‌سازی، مشابه نسخه‌های پیشین است و در اصول و روش تنظیم مدل و انجام شبیه‌سازی، تفاوت خاصی وجود ندارد. تنها تفاوت اساسی در ساختار نسخه ۱۶، گنجاندن کلیدهای تنظیمات، در نموداری درختی سمت چپ صفحه است که این نمودار نیز از نظر چینش و نوع کلیدها، کاملا مشابه ساختار سلسله مراتبی نسخه‌های پیشین است.
بنابراین کاربران نسخه‌های پیشین نرم‌افزار، می‌توانند بدون هیچ مشکلی، از نسخه جدید نیز استفاده کنند. در تالیف این کتاب، غالبا از نسخه‌های ۱۴ و ۱۵ نرم‌افزار و بعضا از نسخه ۱۶ نرم‌افزار استفاده شده است. بنابراین پیشنهاد می‌شود، جهت همخوانی بیشتر منوها و کلیدهای مورد استفاده با تصاویر کتاب، از یکی از نسخه‌های ۱۴ و یا ۱۵ استفاده شود.
نرم‌افزار فلوئنت بر پایه روش‌های حجم محدود و مقادیر ذخیره‌شده در مرکز سلول کار می‌کند و برای تولید شبکه محاسباتی، نیازمند نرم‌افزارهای اختصاصی تولید شبکه مانند Gambit و ICEM-CFD است. در این کتاب، با توجه به آغاز نگارش آن از سال‌های پیش، پیش‌تر از نرم‌افزار گمبیت استفاده شده بود. لیکن با عدم انتشار این نرم‌افزار در سال‌های اخیر و همچنین توانایی‌های بالای نرم‌افزارهای جدید تولید شبکه، غالب بخش‌های تالیف‌شده در گمبیت، حذف و به جای آن‌ها، از نرم‌افزار توانمند و مدرن ICEM-CFD استفاده شده است.
با این وجود، به دلیل استفاده گسترده از این نرم‌افزار در کشور تا امروز، دو فصل بر پایه گمبیت، حفظ گردید تا کابران پیشین نرم‌افزار نیز بتوانند از این کتاب بهره برده و علاوه بر آن، به جمع کاربران جدید نرم‌افزار ICEM-CFD بپیوندند. این دو فصل نیز در نسخ آتی بر پایه ICEM-CFD بازنویسی خواهد گردید و نسخه موجود این دو فصل بر پایه گمبیت، به صورت الکترونیکی، در اختیار کاربران پیشین قرار خواهد گرفت.
شکل ۱۶- نمایی از نرم‌افزار FLUENT- نسخه ۱۵