آشنایی با تجزیه و تحلیل CFD با مثالهای عملی

دینامیک سیال محاسباتی یا تجزیه و تحلیل CFD یکی از روشهای اصلی تجزیه و تحلیل است که در برنامه های مهندسی مورد استفاده قرار می گیرد. منشأ و مبانی نرم افزار CFD در تلاش های بشر برای درک بهتر قدرت عناصر طبیعی مانند باد ، طوفان ، سیل یا امواج دریایی نهفته است.

تجزیه و تحلیل جریان ما در مورد جریان چه می دانیم؟

نظم و انضباط فیزیکی دینامیک سیال در حالی که علوم شروع به طبقه بندی قدرت طبیعی و واکنش مرتبط با هوا ، آب یا گازها کردند ، تکامل یافت. این یک ساختار منظم را فراهم می کند که قوانین تجربی را در بر می گیرد و از ایده اندازه گیری جریان که برای حل مشکلات عملی استفاده می شود ، بدست آمده است. یک مشکل دینامیک مایع معمولی شامل خصوصیات اصلی سیال مانند سرعت جریان ، فشار ، چگالی و دما در رابطه با زمان و مکان است.

در زندگی روزمره ، می توانیم جریان مایعات را در هواشناسی (باران ، باد ، سیل ، طوفان) ، گرمایش ، تهویه و تهویه مطبوع ، طراحی آیرودینامیکی ، احتراق موتور ، فرآیندهای صنعتی یا بدن انسان - برای مثال ، جریان خون - و به عنوان مثال ، و بدن انسان پیدا کنیم. به زودی. دینامیک سیال دارای طیف گسترده ای از برنامه ها ، از جمله محاسبه نیروها در هواپیما ، تعیین میزان جریان جرم نفت از طریق خطوط لوله و پیش بینی الگوهای آب و هوا است.

تجزیه و تحلیل CFD CFD چیست؟

رفتار جریان گاز و مایع توسط معادلات دیفرانسیل جزئی به نمایندگی از قوانین حفاظت برای جرم ، حرکت و انرژی اندازه گیری می شود. دینامیک سیال محاسباتی شاخه ای از مکانیک های سیال است که از تجزیه و تحلیل عددی و الگوریتم ها برای حل موقعیت های جریان سیال استفاده می کند. از رایانه های با عملکرد بالا برای انجام محاسبات مورد نیاز برای شبیه سازی تعامل مایعات و گازها با سطوح تعریف شده توسط شرایط مرزی استفاده می شود.[1]

بیایید با برخی از اصول CFD شروع کنیم. نرم افزار CFD مبتنی بر معادلات Navier-Stokes است. ناشی از اعمال قانون دوم نیوتن برای حرکت سیال ، همراه با این فرض که استرس موجود در مایع مجموع یک اصطلاح چسبناک پراکنده و یک اصطلاح فشار است ، این معادلات توصیف می کنند که چگونه سرعت ، فشار ، دما و چگالی یک مایع متحرکهمبستگی دارند[2]

توسعه CFD و افزایش برنامه های نرم افزاری CFD از نزدیک با تکامل رایانه های پر سرعت همراه است.

بیاموزید که چگونه یک طراحی سیستم مجرای با CFD 100 ٪ از طریق مرورگر وب بهینه شد.

اصول اولیه CFD تاریخچه مختصر CFD

1922 - اساس CFD مدرن و هواشناسی عددی ساخته شده توسط لوئیس فرای ریچاردسون در یک طرح پیش بینی آب و هوا با استفاده از معادلات دیفرانسیل و تفاوت های محدود [3] ؛1933-اولین راه حل عددی برای جریان گذشته یک سیلندر که توسط A. Thom ساخته شده است [4] 1950-اولین پیش بینی آب و هوا 24 ساعته انجام شده توسط رایانه مدرن ENIAC [5] 1955-روش شبیه سازی ذرات در سلول برای جریان مایع گذرا توسعه یافته استتوسط آزمایشگاه ملی Los Alamos [6] 1963-روش عملکرد گرداب برای جریان 2D ، گذرا ، غیرقابل فشرده [7] 1965-روش نشانگر و سلول برای جریان چسبناک وابسته به زمان که توسط آزمایشگاه ملی Los Alamos ساخته شده است [8] 1966-روش سیال در سلول برای مشکلات جریان فشرده غیر قابل فشرده سازی [9] 1967-اولین مدل سه بعدی بر اساس پانل های گسسته شده توسط داگلاس هواپیمای [10] 1968-کد پانل بلند کردن اولین (A230) که توسط Boeing Aircraft [11] 1970-شرح داده شده است-ساخته شده است. اولین توضیحات معادلات بالقوه منتشر شده توسط بوئینگ [12] 1981 - کد 3D FLO57 بر اساس معادلات اویلر برای جریان های ترانسونی [13] پس از سال 1981 - بسیاری از بخش های اساسی تحقیقاتی که به روشهای CFD 2D و 3D متمرکز شده اند تا بر طراحی هوا و طراحی هواپیما متمرکز شوندتحلیل و بررسی. تحقیقات ناسا اختصاص داده شده به معادلات Navie r-Stokes کدهای 2D ARC2D و 3D را تهیه کرده است. اینها شامل کدهای شامل ARC3D ، OVERFLOW و CFL3D بود که منابع اصلی بسته های CFD تجاری مدرن بودند که اصول اولیه CFD را پوشش می دادند.

برنامه های کاربردی CFD اهمیت استفاده از تجزیه و تحلیل CFD مهم است؟

با تجزیه و تحلیل CFD ، می توانیم انتقال جریان و گرما را در طول فرآیند طراحی درک کنیم. روش اصلی برای هر تجزیه و تحلیل نرم افزار CFD مهندسی مبتنی بر چند روش است: • درک مدل جریان - جداسازی جریان ، اثر گذرا ، تعامل فیزیکی.• اثبات مدل فرض شده - اعتبارسنجی نتایج تجربی ، مطالعات پارامتری ، شبیه سازی ساختاری.• بهینه سازی مدل - کاهش افت فشار ، همگن شدن جریان ، بهبود لمینار و اختلاط آشفته.

بدون شبیه سازی عددی جریان سیال ، تصور اینکه چگونه: • هواشناسان می توانند آب و هوا را پیش بینی کرده و از بلایای طبیعی هشدار دهند ، بسیار دشوار است.• طراحان وسیله نقلیه می توانند ویژگی های آیرودینامیکی را بهبود بخشند.• معماران می توانند محیط های صرفه جویی در انرژی و ایمن را طراحی کنند.• مهندسان نفت و گاز می توانند شبکه های لوله های بهینه را طراحی و نگهداری کنند.• پزشکان می توانند از طریق همودینامیک محاسباتی از بیماری های شریانی جلوگیری و درمان کنند.

تجزیه و تحلیل CFD با انجام شبیه سازی های پیچیده CFD با Simscale

تجزیه و تحلیل CFD از یک اتومبیل فرمول یک که در یک مرورگر وب با Simscale انجام شده است

در رابطه با شبیه سازی مایع مکانیکی ، دینامیک سیال یکی از روشهای اصلی تجزیه و تحلیل است که توسط پلت فرم Simscale به همراه مکانیک جامد و ترمودینامیک استفاده می شود. Simscale طیف گسترده ای از قابلیت های تجزیه و تحلیل نرم افزار CFD را ارائه می دهد ، از جمله: • چندین مدل چند لایه و تلاطم ، که بر اساس شماره رینولدز برای جریان سیال است.• برنامه های حالت پایدار و تنظیم حل کننده های گذرا.• حمل و نقل انبوه در جریان مایعات ؛• دسترسی به حلال های مایعات غیر قابل فشرده سازی و فشرده سازی.• شبیه سازی جریان تک و چند فاز ؛• مفاهیم مدل سازی پیشرفته ، مانند رسانه های متخلخل یا حرکت بدنه سفت و سخت از حوزه های سیال

مبانی CFD: الگوهای الگوهای موجود در کتابخانه پروژه های عمومی

برای نشان دادن بیشتر برنامه های کاربردی برای تجزیه و تحلیل CFD ، بیایید نگاهی به برخی از اصول اولیه CFD و نمونه های مربوطه که در کتابخانه پروژه های عمومی Simscale موجود است ، نگاهی بیندازیم:

بسیاری از پروژه ها مربوط به تجزیه و تحلیل آیرودینامیکی وسایل نقلیه مختلف مانند اتومبیل های F1 یا شبیه سازی جریان هوا تلاطم موتور است.

در جریان یک بازی فوتبال یا بسکتبال ، توپ اغلب می تواند مسیرهای غیرقابل پیش بینی را طی کند. این پروژه نشان می دهد که چگونه می توان از تجزیه و تحلیل جریان برای بررسی رفتار آیرودینامیکی یک فوتبال استفاده کرد.

در طی یک کارگاه رایگان در مورد آیرودینامیک فرمول 1 ، نیک پرین بینش بسیار خوبی در مورد آیرودینامیک جذاب یک ماشین مسابقه ، مانند تعامل بین بال جلو و چرخ ها ، یا اینکه چگونه گرداب ها به بهبود نیروی پایین کمک می کنند ، ارائه داد.

تجزیه و تحلیل جریان چند فاز جالب این شبیه سازی سطح آزاد از یک آبشار است. در اینجا یک شبیه سازی جریان ساده از دریچه کره زمین وجود دارد که در آن می توان نتایج را در محیط یکپارچه پس از پردازش تجزیه و تحلیل و تجسم کرد.

شبیه سازی چند منظوره سطح رایگان یک آبشار که در یک مرورگر وب با Simscale انجام می شود

پروژه های مربوط به تحقیقات مدلهای نظری بسیار مهم هستند زیرا این فرضیات پایه و اساس مطالعات واقعی موارد است.

در اینجا نمونه ای از تجزیه و تحلیل جریان غیر نیوتونی از طریق گسترش ناگهانی آورده شده است. برای یک مطالعه دقیق تر ، لطفاً به مستندات "جریان غیر نیوتونی از طریق یک کانال گسترش" بروید. این پروژه مشخصات سرعت جریان را برای یک مایع غیر نیوتونی از طریق رویکرد پایدار رینولدز به طور متوسط Navier-Stokes (RANS) و مدل قدرت قانون برای مایعات غیر نیوتونی تأیید می کند.

تمام پروژه های ارائه شده در این مقاله (و اصول اولیه CFD آموخته شده) را می توان به فضای کاری خود وارد کرده و به عنوان الگو استفاده کرد. تمام کاری که شما باید انجام دهید ایجاد یک حساب کاربری رایگان در اینجا و سپس کپی کردن هر یک از این شبیه سازی ها است. برای تجزیه و تحلیل های جالب دیگر ، می توانید کتابخانه پروژه های عمومی را مرور کنید.

برای یادگیری نحوه استفاده از آنها و تنظیم شبیه سازی خود با SimScale ، ضبط کلاس کارشناسی ارشد CFD (جلسه 1) را تماشا کنید. فقط این فرم کوتاه را پر کنید و به طور خودکار بازی می کند.

• ویکی پدیا ، دینامیک سیالات محاسباتی
• ویکی پدیا ، معادلات Navier-Stokes
• Richardson L. F. - "پیش بینی آب و هوا توسط فرآیند عددی" ، انتشارات دانشگاه کمبریج ، 1922 ، چاپ شده توسط انتشارات داور ، نیویورک ، 1965
• Thom A.-"جریان سیلندرهای دایره ای گذشته با سرعت کم" ، جامعه سلطنتی ، 651-666 ، لندن ، 1933
• Lynch P. - "منشأ پیش بینی آب و هوا رایانه و مدل سازی آب و هوا" ، مجله فیزیک محاسباتی ، دانشگاه میامی ، 2008
• Harlow F. H. - "یک روش محاسبه دستگاه برای مشکلات هیدرودینامیکی" ، آزمایشگاه علمی Los Alamos ، 1956
• Fromm ، J. E. ، Harlow ، F. H. - "راه حل عددی مشکل توسعه خیابان گرداب" ، فیزیک مایعات 6: 975 ، 1963
• Harlow ، F. H. Welch J. E. ، "محاسبه عددی جریان غیر قابل فشار چسبناک وابسته به زمان مایعات با سطح آزاد" ، فیزیک مایعات 8: 2182 2189 ، 1965
• Gentry ، R. A. ، Martin ، R. E. ، Daly ، J. B. - "یک روش متفاوت اویلری برای مشکلات جریان فشرده ناپایدار". مجله فیزیک محاسباتی 1: 87 118 ، 1966
• Hess ، J. L. Smith A. M. O. ، - "محاسبه جریان بالقوه در مورد اجسام دلخواه". پیشرفت در علوم هوافضا 8: 1-138 ، 1967
• Rubbert ، P. ، Saaris ، G.-"بررسی و ارزیابی یک روش تجزیه و تحلیل جریان بالقوه سه بعدی برای تنظیمات دلخواه ،" AIAA Paper ، 72-188 ، 1968
• Murman ، E. ، Cole ، J. - "محاسبه جریان ترانسونیک پایدار هواپیما" ، مقاله AIAA ، 1970
• جیمسون ، ا. ، اشمیت ، دبلیو. و ترکل ، ا.

با ایجاد یک حساب کاربری در پلت فرم Simscale ، شبیه سازی مبتنی بر ابر خود را از طریق وب تنظیم کنید. هیچ نصب ، سخت افزار ویژه یا کارت اعتباری لازم نیست.