شبیه سازی در نرم افزار کامسول

کامسول یکی از پرتکرارترین نام هایی است که در دنیای نرم افزارهای سیالاتی شنیده می شود. البته قابلیت شبیه سازی فیزیک های متنوع در حوزه های 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 هوافضا، مکانیک، شیمی، مواد، مهندسی پزشکی، عمران و ....  به سوی کار با COMSOL گرایش پیدا کنند و این نرم افزار را از یک ابزار تحلیل CFD به یک ابر نرم افزار برای تحلیل پدیده های متفاوت مهندسی و حتی علوم پایه تبدیل کرده است.

مکانیک (دینامیک) سیالات

مکانیک سیالات یا به اصطلاح دقیق تر دینامیک سیالات یکی از شاخه های علوم مهندسی است که در رشته های مختلف مانند مهندسی مکانیک،  هوافضا،  شیمی، مواد، مهندسی پزشکی، عمران و و...... حضور دارد و گاهی جز پایه ای ترین دروس آن ها به شمار میرود. از مباحثی که معمولا در حوزه سیالات پرطرفدار هستند از احتراق، دوفاز، چندفاز، جریان سیالات، انتقال حرارت، تشعشع، تبخیر، یخ زدگی، برهم کنش سازه سیال، جریان آرام، جریان آشفته، آکوستیک، همرفت و .... می توان نام برد.

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 تحلیل و حل مسائل سیالاتی یا آیرودینامیکی  از روش های تحلیلی گاهی بسیار پیچیده و حتی گاهی غیرممکن می شود، حل عددی امروزه به پرطرفدارترین رویکرد بین متخصصین CFD تبدیل شده است. طبیعتا برای انجام محاسبات و شبیه سازی های عددی ملزم به استفاده از رایانه و نرم افزارهای کامپیوتری هستیم.

پیدایش کامسول COMSOL

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.

بعد از نرم افزار انسیس فلوئنت یا به طور کلی خانواده انسیس، کامسول پرتکرارترین نامی است که در دنیای نرم افزارهای سیالاتی شنیده می شود. COMSOL که هم اکنون یک مجموعه ی بزرگ و متشکل از بخش 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.

ماژول ‌های نرم‌ افزار کامسول مولتی ‌فیزیک به شش بخش کلی Mechanical، Fluid، Chemical، Electrical، Multipurpose و Interfacing تقسیم می‌شوند.

لیست ماژول ها:

• AC/DC Module
• Acoustics Module
• Batteries & Fuel Cells Module
• CAD Import Module
• CFD Module
• Chemical Reaction Engineering Module
• Corrosion Module
• ECAD Import Module
• Electrochemistry Module
• Electrodeposition Module
• Fatigue Module
• Geomechanics Module
• Heat Transfer Module
• MEMS Module
• Microfluidics Module
• Molecular Flow Module
• Multibody Dynamics Module
• Nonlinear Structural Materials Module
• Optimization Module
• Particle Tracing Module
• Pipe Flow Module
• Plasma Module
• RF Module
• Semiconductor Module
• Structural Mechanics Module
• Subsurface Flow Module
• Wave Optics Module
• File Import for CATIA V5
• LiveLink for AutoCAD
• LiveLink for Creo Parametric
• LiveLink for Excel
• LiveLink for Inventor
• LiveLink for MATLAB
• LiveLink for Pro/ENGINEER
• LiveLink for Solid Edge
• LiveLink for SolidWorks
• LiveLink for SpaceClaim
• Material Library

ویژگی های کامسول

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. برتری این روش نسبت به روش حجم محدود دارد این است که روی فیزیک های مختلف به راحتی قابل اجرا هست و ارتباط بین فیزیک ها را هم به راحتی میتوان اجرا کرد. به همین دلیل قدرت نرم افزار کامسول در شبیه سازی های مولتی فیزیک از رقبایی مثل فلوئنت که با متد حجم محدود کار می کنند، بیشتر 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 به سوی کار با COMSOL گرایش پیدا کنند. به طور مثال مسائل جامداتی مثل تحلیل ارتعاشاتی، تحلیل تنش و .... پدیده های سیالات مانند انتقال حرارت، جریان های لمینار و توربولانس، ردیابی ذرات (particle tracing) و .... موضوعات عمرانی مثل نشست خاک، طراحی پی و ..... مسائل مهندسی شیمی مانند طراحی راکتورها، انتقال جرم، واکنش های شیمیایی، .... موضوعات فیزیک مثل جریان های الکتریسیته، مغناطیس ، نور و .... در کامسول قابل شبیه سازی هستند.

عبارت مولتی فیزیک (multiphysics) به این معناست که شما میتوانید فیزیک های مختلفی که برای مسائل مختلف وجود دارد را در کنار هم داشته باشید به طور مثال شما ممکن است تغیر شکل یک قطعه جامد را با استفاده از فرمول های مقامت مصالح بررسی کنید و انتقال حرارتی که در همان قطعه به و.جود می آید را با استفاده از فرمولاسیون منابع انتقال حرارت بررسی کنید. کامسول این قابلیت را به شما می دهد که همه این موارد در کنار هم داشته باشید یعنی اگر هم تمایل دارید تغییر شکل در قطعه ای ایجاد کنید هم اثر انتقال حرارت بر روی تغییر شکل را ببینید یا شاید برعکس علاقه دارید اثر تغییر شکل بر روی انتقال حرارت را مشاهده کنید، کامسول این امکان را به شما می دهد.

 همانطور که اشاره شد اساس کار COMSOL حل عددی است، پس میتواند همه الگوریتم های حل عدی مثل متد المان محدد (FEM) یا دینامیک سیالات عددی (CFD) یا تفاضل محدود (Finite difference)  را داشته باشد و به کمک این روش ها، مسائل مختلف را در کنار یکدیگر حل می کند.

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.

جمع بندی

کامسول نیز مانند همه نرم افزارهای تحلیلی در جهت کمک به شبیه سازی بهتر و دقیق تر پدیده ها، 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 گروه آموزشی پارس پژوهان