دینامیک سیالات محاسباتی

شبیه‌سازی رایانه‌ای جریان هوای با سرعت بالا در اطراف یک شاتل فضایی

دینامیک سیالات محاسباتی یا سی‌اِف‌دی ((Computational fluid dynamics (CFD) یکی از بزرگ‌ترین زمینه‌هایی‌ست که مکانیک قدیم را به علوم رایانه و توانمندی‌های نوین محاسباتی آن در نیمهٔ دوّم قرن بیستم و در سدهٔ جدید میلادی وصل می‌کند.

تاریخچه

سرگذشت پیدایش و گسترش دینامیک سیّالات محاسباتی را نمی‌توان جدای از تاریخ اختراع، رواج، و تکامل کامپیوترهای ارقامی نقل کرد. تا حدود انتهای جنگ جهانی دوٌم، بیشتر شیوه‌های مربوط به حلّ مسائل دینامیک سیالات از طبیعتی تحلیلی یا تجربی برخوردار بود. همچون تمامی نوآوری‌های برجستهٔ علمی، در این مورد هم اشاره به زمان دقیق آغاز دینامیک سیّالات محاسباتی نامیسر است. در اغلب موارد، نخستین کار بااهمیت در این رشته را به ریچاردسون نسبت می‌دهند، که در سال ۱۹۱۰ (میلادی) محاسبات مربوط به نحوهٔ پخش تنش (stress distribution) در یک سد ساخته‌شده از مصالح بنّایی را به انجام رسانید.

در این کار ریچاردسون از روشی تازه موسوم به رهاسازی (relaxation) برای حلّ معادلهٔ لاپلاس استفاده نمود. او در این شیوهٔ حلّ عددی، داده‌های فراهم‌آمده از مرحلهٔ پیشین تکرار (iteration) را برای تازه‌سازی تمامی مقادیر مجهول در گام جدید به کار می‌گرفت.

توضیحات

در این روش با تبدیل معادلات دیفرانسیل پاره‌ای حاکم بر سیالات به معادلات جبری امکان حل عددی این معادلات فراهم می‌شود. با تقسیم ناحیه مورد نظر برای تحلیل به المان‌های کوچک‌تر و اعمال شرایط مرزی برای گره‌های مرزی با اعمال تقریب‌هایی یک دستگاه معادلات خطی بدست می‌آید که با حل این دستگاه معادلات جبری، میدان سرعت، فشار و دما در ناحیة مورد نظر بدست می‌آید. با استفاده از نتایج بدست آمده از حل معادلات می‌توان برآیند نیروهای وارد بر سطوح، ضرایب برا و پسا و ضریب انتقال حرارت را محاسبه نمود.
در دینامیک محاسباتی سیّالات از روشها و الگوریتمهای مختلفی جهت رسیدن به جواب بهره می‌برند، ولی در تمامی موارد، دامنه مساله را به تعداد زیادی اجزاء کوچک تقسیم می‌کنند و برای هر یک از این اجزاء مساله را حل می‌کنند. پس از رسم یک ۱۰۰ ضلعی منتظم مشاهده خواهیم نمود که شکل حاصل مشابه دایره است. با افزایش تعداد اضلاع این شباهت بیشتر خواهد شد. در حقیقت این پدیده در مبحث سی‌اِف‌دی نیز مفهوم خواهد داشت.

روش‌های عددی مورد استفاده در سی‌اِف‌دی

• روش المان‌های محدود
• روش احجام محدود
• روش تفاضلات محدود
• روش‌های طیفی

در میان این روش‌ها روش احجام محدود دارای کاربرد بیشتری به خصوص در مدل سازی جریان‌های تراکم ناپذیر می‌باشد. بیشتر نرم‌افزارهای تجاری در زمینه دینامیک سیّالات محاسباتی نیز بر مبنای این روش بسط و توسعه یافته اند.

کاربردها

اکنون روش دینامیک سیالات محاسباتی جای خود را در میان روش‌های آزمایشگاهی و تحلیلی برای تحلیل مسائل سیالات و انتقال حرارت باز کرده‌است و استفاده از این روش‌ها برای انجام تحلیل‌های مهندسی امری عادی شده‌است.

دینامیک محاسباتی سیالات بصورت گسترده در زمینه‌های مختلف صنعتی مرتبط با سیالات، انتقال حرارت و انتقال مواد به کمک سیال بکار گرفته می‌شود. از جمله این موارد می‌توان به صنایع خودروسازی، صنایع هوافضا، توربوماشین‌ها، صنایع هسته‌ای، صنایع نظامی، صنایع نفت و گاز و انرژی و بسیاری موارد گسترده صنعتی دیگر اشاره نمود که دانش دینامیک محاسباتی سیالات به عنوان گره گشای مسائل صنعتی مرتبط تبدیل شده است.

مراکز تحقیقاتی و آموزشی

علیرغم اینکه قدمت روش دینامیک سیالات محاسباتی در دنیا چندان زیاد نیست، این شاخه از علم در ایران و در سالهای اخیر، رشد بسیار خوبی داشته است. جای گرفتن این مبحث در قالب چندین واحد درسی در مقاطع کارشناسی ارشد، دکتری و حتی کارشناسی به خوبی بیانگر میزان توجه و آینده روشن آن در کشور است. علاوه بر دروس آکادمیک ارائه شده در دانشگاه ها، مراکز زیادی نیز به صورت حرفه ای و نیمه حرفه ای در این زمینه شروع به فعالیت کرده اند. این مراکز به دو دسته آموزشی (آموزش مبانی CFD، کدنویسی و برنامه نویسی، آموزش نرم‌افزارهای مرتبط) و تحقیقاتی ( انجام پروژه‌های علمی و صنعتی، توسعه روشهای عددی در دینامیک سیالات و ...) تقسیم بندی می شوند.البته مراکز آموزشی مرتبط با این بخش معمولاً وابسته به دانشگاه‌ها بوده و در اشاعه این نوع تحلیل به مهندسین فارغ التحصیل کمک شایانی کرده و می کنند.

پیوند‌های بیرونی

• گروه دینامیک سیالات محاسباتی دانشگاه صنعتی اصفهان
• مرکز تحقیقات CFD در جریان‌های کاویتاسیونی، موتور‌های حرارتی و صنایع نفت
• مرکز تحقیقات دینامیک سیالات محاسباتی دانشگاه علم و صنعت ایران
• مرکز تحقیقات CFD دانشگاه رازی کرمانشاه^{[نیازمند منبع]}
• تالار گفتگوی تخصصی فارسی CFD

منابع

• Pletcher, Richard et al, Computational Fluid Mechanics And Heat Transfer, Taylor and Francis, ۱۹۹۷, ISBN 978-1-56032-046-3.
• Versteeg H K , Malalasekera W Introduction To Computational Fluid Dynamics The Finite Volume Method (Longman, ۱۹۹۵)(T)(Isbn ۰۵۸۲۲۱۸۸۴۵)(۲۶۷S)
• Anderson, Dale A Computational Fluid Mechanics And Heat Transfer (Taylor & Francis) ۱۹۹۷
• ferziger.&.peric.-.computational.methods.for.fluid.dynamics.(۳ed,.۲۰۰۱)

جستارهای وابسته

• معادلات اولر
• آنالیز عددی
• مهندسی هوا و فضا
• مهندسی مکانیک
• جریان‌های آشفته