دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) در خدمت آیرودینامیک

آیرودینامیک از دو بخش آیرو (aero) به معنی هوا و دینامیک (dynamic) به معنی حرکت تشکیل شده است. در واقع از نظر لغوی آیرودینامیک به معنی علم مطالعه حرکت هوا است. اگر از نظر دسته بندی علوم بررسی کنیم، آیرودینامیک شاخه ای از علم دینامیک گاز است که به طور خاص به بررسی هوا می پردازد و همانطور که می دانیم دینامیک گاز خود، یکی از 2 بخش اصلی دینامیک سیالات است. در نتیجه آیرودینامیک شاخه ای خاص از علم دینامیک سیالات است.

از دیدگاه رشته های تحصیلی و حوزه های شغلی، اگر برای رشته ی مهندسی هوافضا به پنج گرایش آیرودینامیک، پیشرانش، سازه، دینامیک پرواز و کنترل و مهندسی فضایی در نظر بگیریم. گرایش آیرودینامیک یکی از پرطرفدارترین و پرکاربردترین گرایش های هوافضا است.

دینامیک سیالات محاسباتی CFD

دینامیک سیالات محاسباتی (عددی) یا Computational Fluid Dynamics که به اختصار CFD نامیده می شود، یکی از شاخه های دینامیک سیالات است که از طریق روش ها و الگوریتم های عددی به حل مسائل می پردازد. از آنجا که آنالیز و حل مسائل آیرودینامیکی و به طور کلی سیالاتی از متدهای تحلیلی گاهی بسیار پیچیده و حتی گاهی غیرممکن می شود، حل عددی امروزه به پرطرفدارترین رویکرد در بین علاقه مندان آیرودینامیک تبدیل شده است. همانطور که قابل تصور است انجام محاسبات و شبیه سازی های عددی ناچار به استفاده از رایانه و نرم افزارهای کامپیوتری هستیم که در این جا به چند نمونه از آنها پرداخته شده است.

ابزارهای تحلیل دینامیک سیالات محاسباتی

وقتی در مورد نرم افزارهای سیالاتی صحبت می کنیم اولین اسمی که به ذهن همه خطور می کند، نرم افزارهای خانواده انسیس هستند که هرچند قدیمی ترین ابزار این حوزه نیستند اما به دلیل گستردگی در  شبیه سازی های متنوع CFD ، در حال حاضر معروف ترین مجموعه نرم افزاری سیالاتی هستند.

انسیس فلوئنت ANSYS FLUENT

فلوئنت طبق تعریف سایت انسیس ، یک نرم افزار تجاری شبیه سازی سیالات است که به قابلیت مدلسازی فیزیک های پیچیده و قابل اطمینان بودن دقت نتایج، معروف است. البته این نرم افزار در ابتدا به شرکت FlUENT Inc تعلق داشت اما از سال 2009 توسط شرکت ANSYS خریداری شد و نسخه 12 این نرم افزار تحت نام ANSYS FLUENT منتشر شد. یکی از ویژگی های مهم فلوئنت که باعث شده طرفدارای زیادی را به خود جلب کند این است که تقریبا تمام انواع شبیه سازی ها در این نرم افزار قابل انجام است.

انسیس سی اف ایکس  ANSYS CFX

یکی دیگر از اعضای معروف خانواده انسیس ، نرم افزار CFX است که توسط شرکت AEA Technology PLC توسعه یافت و در سال 2003 توسط شرکت انسیس خریداری شد. این عضو مجموعه انسیس به طور خاص بر شبیه سازی و تحلیل توربوماشین ها تمرکز دارد به همین دلیل مهندسینی که به مطالعه پمپ، کمپرسور، توربین و سایر توربوماشین ها علاقه دارند، اصلی ترین کاربران CFX هستند. به ادعای سایت انسیس، CFX در حل مسائل زیر از دقت و سرعت غیرقابل مقایسه ای برخوردار است:

• طراحی و بهینه سازی پره (بلید)
• مسائل آیرودینامیک
• مدل های توربولانس
• مسائل هسته ای
• مدلسازی مواد پیچیده

کامسول COMSOL

بعد از مجموعه نرم افزاری انسیس، کامسول پرتکرارترین نامی است که در دنیای نرم افزارهای سیالاتی شنیده می شود. کامسول که هم اکنون یک مجموعه ی بزرگ از ماژول های متنوع و متعدد است،  اولین بار در حدود سال 1986 توسط دانشجویان موسسه سلطنتی فناوری سوئد تحت عنوان FEMLAB (آزمایشگاه المان محدود) منتشر شد که البته در ابتدا قابلیت های محدودی را دارا بود. شاید جالب باشد که یکی از اعضای هسته اصلی شکل گیری این نرم افزار یک دانشجوی ایرانی به اسم مهرداد سعیدی بوده است. بعدها در سال 2005 نام COMSOL Multiphysics برای این ابزار انتخاب شد و از این پس بعنوان یک نرم افزار تجاری وارد عرصه رقابت با سایر برنامه های شبیه سازی شد.

روش کار کامسول بر خلاف مجموعه ANSYS که بر اساس متد حجم محدود عمل می کند، روش المان محدود (Finite Element   Method)  در فضاهای یک، دو و سه بعدی است. قابلیت شبیه سازی فیزیک های متنوع در حوزه های سازه و جامدات، سیالات، میدان های الکترومغناطیسی، انتقال حرارت، تحلیل جریان های ارام و آشفته، جریان غیر نیوتنی، انتقال جرم در محیط متخلخل و .... باعث شده است، کاربرانی از رشته های مختلف مثل مهندسی مکانیک، هوافضا، شیمی، مواد، مهندسی پزشکی، عمران و ..... به سوی کار با COMSOL گرایش پیدا کنند. امکان لینک شدن و ارتباط با سایر نرم ‌افزارهای مهندسی مانند کتیا (CATIA)، متلب (MATLAB)، سالیدورکس (SolidWorks)، اینونتور (Inventor)، اکسل (Excel) و ....... یکی دیگر از ویژگی های مثبت کامسول است.

استار سی سی ام STAR CCM+

استار سی سی ام یکی دیگر از نرم افزارهای تجاری موفق در زمینه دینامیک سیالات عددی است که توسط شرکت زیمنس (SIEMENS) توسعه یافته است. این نرم فزار امکان مدلسازی و تحلیل محدوده وسیعی از مسائل مهندسی مانند جریان سیال، انتقال حرارت، تحلیل تنش، پدیده های مرتبط با الکترومغناطیس و ..... را به مهندسین می دهد. نتایج با دقت بالا و نزدیک به واقعیت و تحلیل مسائل پیچیده که معمولا در نرم افزارهای دیگر قابل انجام نیستند، دو ویژگی منحصر به فرد این محصول شرکت زیمنس است.

اوپن فوم OpenFOAM

در سال های اخیر متن باز (open source) بودن یکی از ویژگی های مثبت نرم افزارها در همه حوزه هاست. در میان ابزارهای شبیه سازی CFD، نرم افزار اوپن فوم این مزیت را داراست که می توان به سورس کدها دست پیدا کرد. علاوه براین، رایگان بودن این نرم افزار و کتابخانه های آن بر محبوبیت آن افزوده است. هرچند شاید در ایران که معمولا از همه نرم افزارها به صورت کرک شده و رایگان استفاده می شود این ویژگی تفاوت چندانی برای کاربران نداشته باشد اما در سطح جهانی این مزیت باعث استقبال مهندسین چه در سطح تحقیقاتی چه در سطح تجاری شده و تعداد کاربران OpenFOAM را افزایش داده است.

در کنار مزیت های بیان شده استفاده از اوپن فوم چالش هایی را نیز به همراه دارد. یکی از اولین نکاتی که مهندسین با آن مواجه هستند قابل نصب نبودن OpenFOAM در محیط ویندوز است. به همین علت کاربران مجبور به کار در محیط لینوکس یا استفاده از ویندوزهای مجازی هستند. از دیگر چالش هایی که کاربران در اولین برخورد دارند، عدم وجود محیط گرافیکی برای مدلسازی مانند سایر نرم افزارها است.

جمع بندی

نرم افزارهای ذکر شده در این مقاله و سایر ابزارهای حوزه دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)  همه در جهت کمک به شبیه سازی بهتر و دقیق تر پدیده های آیرودینامیکی، توسعه یافته اند. هر چند که همه مهندسین و حتی شرکت های توسعه دهنده این نرم افزارها اذعان دارند با وجود همه پیشرفت ها، همچنان با نتایج دقیقا منطق با طبیعت فاصله زیادی وجود دارد.

نویسنده: ستاره دهقان، کارشناس دپارتمان مهندسی هوافضا