مقدمه‌ای بر CFD و نرم‌افزارهای شبیه‌سازی_بخش ۱
مقدمه:
در این فصل بر آنیم، تا پیش از آموزش روش‌های شبیه‌سازی در نرم‌افزارهای CFX و FLUENT، به ارائه معرفی و مقدمه‌ای از دینامیک سیالات محاسباتی و همچنین نرم‌افزارهای مورد استفاده در کتاب بپردازیم، تا خوانندگانی که با استفاده از این کتاب، قدم به دنیای شبیه‌سازی CFD می‌گذارند، شناخت بالاتری از این مبحث و همچنین نرم‌افزارهای موجود داشته باشند. در حال حاضر نرم‌افزارهای بسیاری بر پایه CFD، ارائه می‌گردد که هر یک در بخشی از علوم مهندسی کاربرد دارد. آشنایی اولیه با این نرم‌افزارها، می‌تواند، در انتخاب نرم‌افزار مناسب برای پروژه‌های مختلف، کمک نماید. پیش از معرفی نرم‌افزارهای مورد استفاده در این کتاب، ابتدا به ارائه مقدمه‌ای بر اصول و کاربرد دینامیک سیالات محاسباتی و سایر نرم‌افزارهای رایج می‌پردازیم.
سپس اصول، مزایا، معایب و موارد کاربرد نرم‌افزارهای FLUENT و CFX، به عنوان نرم‌افزارهای شبیه‌سازی و در کنار آن‌ها نرم‌افزارهای ICEM-CFD، TGrid و Gambit، به عنوان نرم‌افزارهای تولید شبکه و در نهایت نرم‌افزار CFD-POST به عنوان نرم‌افزار تحلیل نتایج و ارائه گزارش، مورد بررسی و معرفی قرار می‌گیرد.
دینامیک سیالات محاسباتی (Computational Fluid Dynamics)
دنیای پیرامون، متشکل است از پدیده‌های فیزیکی بسیاری که بخش قابل توجهی از این پدیده‌ها، در حیطه مکانیک شاره‌ها قرار می‌گیرد. جریان‌های اقیانوسی، توده‌های هوایی، جریان خون در رگ‌ها، مجراهای تنفسی، جریان سیال اطراف خودرو، جریان باد در اطراف ساختمان و بسیاری دیگر از پدیده‌های شاره‌ای، نمونه‌ای از این فیزیک‌ها هستند.
طراحی صحیح و هوشمندانه بسیاری از تجهیزات مهندسی، نیازمند درک صحیحی از این پدیده‌هاست. بدین منظور از دانش مکانیک سیالات، بر پایه قوانین حرکتی ارائه‌شده توسط نیوتن استفاده می‌شود. این قوانین به صورت کلی در قالب چهار معادله اصلی برای بقای مومنتوم و جرم ارائه می‌گردد.
این معادلات که با نام معادلات ناویر استوکس نیز معرفی می‌شوند، با وجود دقت کافی برای غالب پدیده‌های مکانیک سیالات، در بسیاری از موارد، به دلیل پیچیدگی‌های بالای حل، به صورت مستقیم قابل ارزیابی نیستند و به دلیل حضور ترم‌های غیر خطی و همچنین همبستگی چهار معادله به یکدیگر، به عنوان یکی از پیچیده‌ترین معادلات دنیای علم، معرفی می‌شوند. حل مستقیم و تحلیلی این معادلات، به جز در موارد بسیار محدود و با در نظر گرفتن بسیاری فرضیات ساده‌سازی، ممکن نیست.
جریان بین دو صفحه موازی، جریان آرام درون لوله با سطح مقطع دایروی و جریان رینولدز پایین در اطراف یک گوی، نمونه‌هایی از فیزیک‌های ساده‌ای هستند که برای آن‌ها، حل تحلیلی معادلات ناویر استوکس وجود دارد.
در کنار این‌ها، پدیده‌های بسیاری در دنیای مهندسی وجود دارد، که دارای پیچیدگی‌های بسیاری بوده و به دلایل مختلفی، نیازمند درکی از رفتار معادلات جریان، بر روی آن‌ها هستیم. غالب جریان‌های کاربردی در فیزیک‌های صنعتی، مانند جریان درون یک راکتور، جریان اطراف هواپیمای مسافربری، جریان درون سیلندر پیستون خودرو و بسیاری دیگر از جریان‌های صنعتی و طبیعی، نمونه‌هایی از پدیده‌های هستند، که تحلیل آن‌ها با اهدافی همچون درک بالاتر از محیط پیرامون، بهبود زندگی و طراحی تجهیزات صنعتی صورت می‌پذیرد.
در این شرایط و با توجه به ضعف روش‌های ریاضیاتی در حل معادلات ناویر استوکس، نیامند روش‌های دیگری هستیم. تجربه و آزمایش، یکی از گزینه‌های جایگزین است. در روش‌های تجربی، نمونه‌ای از فیزیک مورد نظر در ابعاد اصلی و یا ابعاد کوچک‌شده آزمایشگاهی، ساخته و تحلیل جریان بر روی آن، از طریق اندازه‌گیری پارامترهای اساسی مانند نیرو، ضریب درگ، ضریب انتقال حرارت و مشابه آن، انجام می‌شود. این روش با وجود دقت نسبتا بالا، به دلیل هزینه‌های بالای انجام آزمایش از یک سو و عدم امکان انجام آن بر روی تمامی فیزیک‌های مورد نظر از سوی دیگر، دارای محدودیت‌های بسیاری است. از این روش، غالبا بر روی طرح‌های نهایی در آستانه ساخت و به منظور اطمینان از صحت طراحی و تحلیل انجام‌شده به سایر روش‌ها، استفاده می‌شود.
دیدگاه سومی که در بسیاری از پروژه‌های امروزی، به فراوانی مورد توجه قرار می‌گیرد، استفاده از روش‌های عددی است. در روش‌های عددی، ابتدا دامنه حل به اجزای بسیار کوچکی به نام سلول‌های محاسباتی، تقسیم می‌شود. مجموع سلول‌های محاسباتی، تشکیل یک شبکه محاسباتی می‌دهند. سلول‌های محاسباتی بسته به پیچیدگی هندسی و همچنین ساختار کلی حل‌گر، دارای اشکالی مختلف‌اند. در ادامه، شش نوع سلول پرکاربرد، در تولید شبکه‌های محاسباتی دو و سه‌بعدی، نشان داده شده است.
شکل ۱- انواع رایج سلول‌های مورد استفاده در شبیه‌سازی‌های CFD
شبکه‌های محاسباتی، خود به دو نوع کلی ساختاریافته و بدون‌ساختار، تقسیم‌بندی می‌شوند. در شبکه ساختار یافته، شناسایی سلول‌های مجاور، به صورت ماتریسی انجام می‌شود و شبکه ساختاری منظم دارد. سلول‌های مورد استفاده در این نوع از شبکه، چهارگوش در دوبعد و شش‌وجهی در سه بعد اند. این نوع از شبکه، به دلیل منظم‌بودن و الزامات هندسی خاص، برای بسیاری از هندسه‌های پیچیده، قابل استفاده نیست.
شکل ۲- آدرس‌دهی سلول‌های مجاور در شبکه سازمان‌یافته
در هندسه‌های پیچیده، از شبکه بدون‌ساختار استفاده می‌شود. این نوع از شبکه به صورت نامنظم و بعضا تصادفی و البته با استفاده از روش‌های هوشمند، تولید می‌شود. سلول‌های مورد استفاده در این نوع از شبکه، غالبا مثلث در دو بعد و چهاروجهی در سه بعد است. از سلول‌های هرمی و منشوری نیز در موارد خاص استفاده می‌شود. در کنار این‌ها، سلول‌های مورد استفاده در شبکه ساختار یافته، در شبکه بدون ساختار نیز کاربرد دارند که البته کاربرد آن‌ها، قدری از سلول‌های اصلی (مثلث و چهاروجهی) کمتر است.
شکل ۳- نمایی کلی از شبکه بدون ساختار
در ادامه، نمونه‌هایی از شبکه‌های ساختاریافته و بدون ساختار، نشان داده شده است. قابل ذکر است نرم‌افزارهای FLUENT و CFX، به صورت پایه‌ای دارای حل‌گر بدون‌ساختاراند، لیکن شبکه‌های ساختاریافته نیز با تبدیل آدرس‌دهی سلول‌ها به روش بدون‌ساختار، در آن‌ها قابل استفاده‌اند. روش انجام این کار در نرم‌افزار ICEM-CFD ارائه می‌گردد.
توضیح: در بخش‌هایی از کتاب، ممکن است از الفاظ سازمان‌یافته و بدون‌سازمان، به جای ساختاریافته و بدون‌ساختار، استفاده شده باشد.
شکل ۴- شبکه محاسباتی ساختاریافته بر روی یک پمپ گریز از مرکز
شکل ۵- شبکه محاسباتی ساختاریافته در اطراف یک ایرفویل
شکل ۶- شبکه محاسباتی بدون‌ساختار در اطراف یک هواپیمای مسافربری
شکل ۷- شبکه بدون‌ساختار بر روی یک دایناسور