13 برنامه اصلی شبیه سازی و مدل سازی CFD

دینامیک سیال محاسباتی (CFD) علمی است که از ساختارهای داده برای حل مسائل جریان سیال استفاده می کند - مانند سرعت ، چگالی و ترکیبات شیمیایی.

این فناوری در مناطقی مانند پیشگیری از کاویتاسیون ، مهندسی هوافضا ، مهندسی HVAC ، تولید الکترونیک و موارد دیگر استفاده می شود.

در زیر لیستی از رایج ترین برنامه های شبیه سازی CFD که امروزه مورد استفاده قرار می گیرند ، آورده شده است.

1. شبیه سازی CFD برای جلوگیری از کاویتاسیون

کاویتاسیون تشکیل حباب های بخار در یک مایع است و هنگامی اتفاق می افتد که یک جسم (مانند پروانه) از طریق مایع حرکت کند. کاویتاسیون می تواند باعث آسیب به پروانه ها ، نازل ها ، توربین ها ، سرریزها و دریچه ها شود.

کاویتاسیون یک مشکل مهم دینامیک سیال است که بر دامنه های گسترده ای از حوزه های مهندسی تأثیر می گذارد.

بزرگترین مسئله؟

تشخیص آسیب ناشی از کاویتاسیون به یک مؤلفه در حین آزمایش استرس فیزیکی بسیار دشوار است-زیرا آسیب تدریجی است و تا زمانی که به آستانه بحرانی برسد ، هیچ اثر واضحی نشان نمی دهد.

به عنوان مثال ، یکی از راه های اندازه گیری آسیب کاویتاسیون به پروانه ، استفاده از ابزارهایی برای اندازه گیری ارتعاشات و سر و صدا است. اما بیشتر ابزارها به اندازه کافی حساس نیستند تا بتوانند این نوع آسیب را به طور دقیق اندازه گیری کنند.

با این حال ، شبیه سازی کاویتاسیون از طریق CFD می تواند به مهندسان کمک کند آستانه های ریز و درشتی را تعیین کنند که اندازه گیری آن در دنیای فیزیکی دشوار خواهد بود. آنها می توانند در یک سطح بسیار دانه ای برای مقایسه محصولات و طرح های جایگزین برای بهبود انعطاف پذیری ، دوام و ایمنی پروژه های خود اندازه گیری کنند.

2. شبیه سازی ماشین آلات چرخان با استفاده از CFD

ماشین آلات چرخان مانند کمپرسورها ، پمپ های بخار ، توربین های گازی و گسترش دهنده های توربو یک چیز مشترک دارند: بار چرخه ای که روی ساختار عمل می کند.

مهر و موم های هزارتوی در انواع مختلف چرخشی ماشین آلات برای کاهش جریان نشت استفاده می شود. گاز عبور از مهر و موم ها اغلب یک نیروی محرک ایجاد می کند که منجر به لرزش روتور ناپایدار می شود.

آنچه در اینجا ضروری است این است که بتوانیم نیروی روتور پویا را که باعث بی ثباتی می شود ، تعیین کنیم.

یک بار دیگر ، به جای سرمایه گذاری در نمونه سازی مداوم و تست استرس فیزیکی ، می توان از شبیه سازی CFD برای آزمایش انواع متغیرهای طراحی استفاده کرد تا ایده آل ترین ساخت و ساز ماشین آلات چرخان را پیدا کند.

3. شبیه سازی CFD برای لامینار و جریان آشفته

تلاطم حرکت ناگهانی خشونت آمیز هوا ، آب یا مایعات دیگر است. این یکی از فاجعه بار ترین و غیرقابل پیش بینی ترین پدیده های آب و هوایی است که خلبانان با آن روبرو هستند. در حقیقت ، تلاطم شدید می تواند کنترل هواپیماهای هواپیمایی را برای کنترل هواپیماهای خود غیرممکن کند و حتی ممکن است صدمات جدی برای مسافران ایجاد کند.

شبیه سازی CFD از مدل های تلاطم برای پیش بینی تأثیر تلاطم در طراحی مهندسی CAD استفاده می کند.

یکی از متداول ترین مدل ها برای شبیه سازی تلاطم ، K-Omega (GEKO) در ANSYS است. Geko با اجازه دادن به کاربران برای تنظیم پارامترهای فردی شبیه سازی ضمن حفظ کالیبراسیون مدل ، به مدلهای تلاطم متناسب با برنامه های متنوعی کمک می کند.

4- گرمایش ، تهویه مطبوع و تهویه (HVAC) کاربردهای شبیه سازی CFD

علیرغم اینکه یک زندگی نادیده گرفته شده از زندگی روزمره ما است ، سیستم های HVAC که هوا را در خانه ها و دفاتر ما پمپ می کنند و وضعیت خود را به مهندسی و برنامه ریزی فشرده نیاز دارند.

به منظور شرط هوای یک فضا ، هوا را از طریق یک اتاق جریان دهید و از کیفیت بالای هوای داخلی (IAQ) اطمینان حاصل کنید ، محصولات HVAC باید از فیزیک دینامیک سیال استفاده کنند.

ایجاد دیفیوزرهای HVAC ، واحدهای انتقال هوا و FTU ها به طور معمول نیاز به آزمایش دقیق دارند تا اطمینان حاصل کنند که می توانند هوا را به طور موثر گردش کنند و شرایط آن را رعایت کنند و استانداردهای IAQ را رعایت کنند.

به همین ترتیب ، بسیاری از تولید کنندگان تجهیزات HVAC برای سرعت بخشیدن به نمونه سازی و اعتبارسنجی طرح های جدید به شبیه سازی CFD روی آورده اند. شبیه سازی CFD به مهندسان این امکان را می دهد تا عملکرد بالقوه محصولات خود را در فضاهای مختلف و در تنظیمات مختلف تجزیه و تحلیل کنند.

5. شبیه سازی باتری با CFD

از نظر چهره ، به نظر می رسد فرآیند طراحی باتری با امثال هوافضا و طراحی HVAC مشترک نیست - جایی که جریان هوا نقش مهمی (و آشکار) در عملکرد اصلی یک محصول دارد.

اما طراحی باتری یک فرآیند چند رشته ای است که به چندین روش مهندسی نیاز دارد - از جمله مهندسی شیمیایی ، الکتریکی ، حرارتی و سیال. و به همین ترتیب ، شبیه سازی CFD می تواند نقش مهمی در بهینه سازی عملکرد و ایمنی باتری ها (ضمن استفاده از زمان و منابع کمتری در آزمایش فیزیکی) داشته باشد.

نرم افزار CFD مانند Simulia می تواند به تولید کنندگان باتری کمک کند تا با سه بعدی تجسم کنند و مشکلات مرتبط با تخلیه سریع ، گرمایش بیش از حد محیط و شارژ بیش از حد را حل کنند - که نه تنها بر عمر باتری بلکه ایمنی مصرف کننده نیز تأثیر می گذارد.

6. شبیه سازی آیرودینامیک با CFD

آیرودینامیک مطالعه چگونگی جریان هوا در اطراف اشیاء (مانند هواپیما یا اتومبیل) است.

این شاید مشهورترین کاربرد CFD باشد - زیرا طراحان خودرو ، مهندسان هوافضا و تولید کنندگان تجهیزات ورزشی همه از نرم افزار شبیه سازی برای کاهش کشیدن و اصطکاک هوا ضمن بهبود کارآیی محصولات خود استفاده می کنند.

فراتر از این که قادر به طراحی محصولات آیرودینامیکی بدون سرمایه گذاری در بسیاری از نمونه های اولیه فیزیکی باشد ، شبیه سازی باعث می شود مهندسان بتوانند تغییرات بسیار ناچیز در طراحی خود را آزمایش کنند تا عملکرد را به حداکثر برساند - ده ها یا صدها بار قبل از تولید.

7. انتقال حرارت و شبیه سازی مدیریت حرارتی در CFD

انتقال حرارت و مدیریت حرارتی رشته ای برای اندازه گیری نحوه حرکت گرما از طریق طرح های مایع جامد (به عنوان مثال لوله هایی است که مایع داغ را منتقل می کنند)-و نحوه بهینه سازی طرح ها با استفاده از اصول هدایت گرما ، همرفت یا تابش.

مدیریت حرارتی برای اطمینان از یکپارچگی ساختاری و ایمنی هرگونه طراحی که نیاز به گرمای متوسط یا سرماخوردگی دارد ، بسیار حیاتی است. همچنین می تواند برای بهینه سازی عملکرد و کارآیی طرح هایی که از گرما یا احتراق برای انرژی استفاده می کنند ، استفاده شود.

بیشتر بسته های نرم افزاری حرفه ای CAD (مانند SolidWorks) از پشتیبانی بومی برای شبیه سازی مدل های انتقال حرارت برخوردار هستند.

از شبیه سازی CFD برای بهینه سازی انتقال حرارت در همه چیز از طرح های موتور خودرو گرفته تا طرح های دستگاه قهوه استفاده می شود. همچنین برای تعداد بیشماری از سایر انواع شبیه سازی ذکر شده در این لیست (مانند HVAC) بسیار حیاتی است - جایی که انتقال حرارت یک جزء جدایی ناپذیر از عملکرد اصلی یک محصول است.

8. شبیه سازی لوله و شیر با CFD

جریان سیال می تواند فشار زیادی را بر روی لوله ها و دریچه ها اعمال کند - و در صورت عدم توجه به درستی ، می تواند منجر به تغییر شکل و خرابی اساسی شود.

به این ترتیب ، پالایشگاه های نفتی ، خطوط لوله گاز طبیعی و لوله کشی مسکونی برای دستیابی به ایمنی و جلوگیری از آسیب طولانی مدت به تجهیزات گران قیمت ، باید برای جریان سیال بهینه شوند.

قبل از ظهور شبیه سازی CFD ، این نوع بهینه سازی نیاز به آزمایش و خطا داشت. سیستم های لوله کشی با برآورد بهترین حدس ساخته شده اند و پس از خرابی تصفیه یا تجدید نظر شدند.

با شبیه سازی CFD ، مهندسان می توانند عملکرد کل سیستم لوله ها را مدل کنند یا یک مؤلفه واحد (مانند شیر) را جدا کنند تا احتمال خرابی کاهش یابد. شبیه سازی CFD همچنین می تواند برای بررسی عدم موفقیت در زیرساخت های پیری پس از واقعیت استفاده شود و به مهندسان تصویری دقیق تر از آنچه اتفاق افتاده است.

9. شبیه سازی خنک کننده الکترونیک با CFD

تمام لوازم الکترونیکی مورد استفاده امروز به برخی از مدیریت گرما نیاز دارند (خواه هیت سینک ها ، دریچه ها ، فن ها ، اجزای حرارتی یا ترکیبی). این امر به این دلیل است که تراشه هایی مانند GPU و CPU ها با گرمای بیش از حد شروع به نقص می کنند. این مؤلفه ها برای حفظ عملکرد (معمولاً زیر 85 درجه سانتیگراد) باید نسبتاً خنک نگه داشته شوند.

بدون شبیه سازی یا آزمایش گسترده ، تولید کنندگان الکترونیک اغلب محصولات را به بازار (مانند تلفن ، اسباب بازی ، تراشه های رایانه ای و غیره) آزاد می کنند که به دلیل گرمای بیش از حد شکست خورده است.

از شبیه سازی CFD می توان برای آزمایش و سازماندهی ایده آل ترین قطعات (Heatsink ، Fan و غیره) استفاده کرد تا اطمینان حاصل شود که تراشه های حساس بیش از حد گرم نمی شوند.

10. شبیه سازی CFD Turbomachinery

Turbomachinery یک مفهوم مهندسی مکانیک است که ماشینهایی را توصیف می کند که انرژی را از روتور به یک مایع منتقل می کنند (مانند کمپرسور یا توربین).

موتورهای جت هواپیما نمونه ای رایج از توربوماشین هستند ، زیرا توربین های گازی هستند که از گازهای اگزوز فشار می یابند.

از نرم افزار CFD در طراحی و بهینه سازی توربوماشین ، از پیش پردازش ، مدل سازی ، مشروبات الکلی ، همه تا پردازش استفاده می شود.

11. شبیه سازی CFD مواد رئولوژی بالا

مواد رئولوژی بالا مواد جامد هستند که می توانند در هنگام اعمال نیروها و فشارها بر روی آنها به صورت مایعات رفتار کنند. نمونه هایی از چنین مطالب عبارتند از:

با استفاده از تکنیک هایی مانند قالب گیری ضربه ، حرارتی و اکستروژن - تولید کنندگان می توانند این مواد جامد را به یک محصول نهایی شکل دهند.

از طریق استفاده از شبیه سازی CFD ، تولید کنندگان می توانند ضمن به حداقل رساندن انرژی و مواد اولیه ، فرآیندهای طراحی مواد رئولوژی خود را تسریع کنند. آنها می توانند با تغییر شکل تولید تولید ، کاهش مواد اضافی و به سرعت نمونه سازی طرح های رئولوژیکی ، صرفه جویی در هزینه را شناسایی کنند.

12. شبیه سازی جریان واکنش و احتراق با CFD

مایعات روان که از نظر شیمیایی واکنشی هستند (به عنوان مثال در مورد موتور احتراق) به عنوان "جریان واکنش" در شبیه سازی گفته می شود.

این نوع جریان ها یک مشکل فیزیک دشوار را برای مهندسان نشان می دهد.

پیش بینی رفتار واکنش مایعات در مقیاس نیمکت شیمی (میلی متر) یک چیز است - اما انجام این کار در سطح محلول (در لیتر مکعب) در حالی که تلاطم را در نظر می گیرد بسیار دشوار است.

و با این حال ، این یک مشکل مهم است

قادر به درک شیمی اساسی و فیزیک واکنش جریان در افزایش راندمان انرژی ، انعطاف پذیری سوخت و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای در بخش های خودرو ، هوافضا و انرژی بسیار مهم است.

این منطقه ای است که شبیه سازی CFD عالی است. این می تواند مشکلات پیچیده و چند فیزیکی مانند واکنش به جریان را برطرف کند-به تولید کنندگان بینش در مورد محصولات خود که محاسبه دستی تقریباً غیرممکن خواهد بود-بدون نیاز به آزمایش فیزیکی گران قیمت.

13. جریان غیر قابل فشرده و فشرده سازی با شبیه سازی CFD

جریان قابل فشرده سازی به جریان سیال اشاره دارد که چگالی ثابت نیست.

به عبارت دیگر ، یک مایع مانند اکسیژن ، که چگالی آن می تواند فشرده یا فشرده شده با تغییر فشار باشد - دارای یک جریان فشرده است.

جریان غیر قابل فشرده به مایعی اشاره دارد که تغییرات چگالی آن بدون در نظر گرفتن فشار ناچیز است.

جریان آب از طریق یک لوله دارای جریان غیر قابل فشرده سازی است ، زیرا فشار تأثیر بی نهایت بر چگالی آن خواهد داشت.

هر دو نوع جریان چالش های منحصر به فردی را برای تولید کنندگان و مهندسان ارائه می دهند. به عنوان مثال ، مهندسان کار در آیرودینامیک ، باید در تجزیه و تحلیل خود ، تراکم پذیری اکسیژن (با اشیاء سفر با سرعت های مختلف) را در نظر بگیرند. برعکس ، صنایعی که با مایعات غیر قابل فشرده کار می کنند باید جریان های آشفته خشونت ، قدرتمند و هرج و مرج را با محاسبات خود در نظر بگیرند.

و در مورد هوافضا - جایی که ممکن است هر دو نوع محاسبات در یک تجزیه و تحلیل واحد ترکیب شوند - آزمایش و برنامه ریزی می تواند فوق العاده پیچیده شود.

به همین دلیل شبیه سازی CFD برای بسیاری از تولید کنندگان مدرن یک ضرورت مطلق است. نرم افزاری مانند SimScale به مهندسان این امکان را می دهد تا با اختصاص خصوصیات منحصر به فرد به مایعات مختلف ، جریان های غیر قابل فشرده و فشرده را در یک شبیه سازی تجزیه و تحلیل کنند.

افکار پایانی

قبل از ظهور شبیه سازی ، بسیاری از مشکلات فیزیک عملی جهان با آزمایش فیزیکی گران (و وقت گیر) حل شد. شرکت هایی که محصولات آنها آزمایش دقیق و سختگیرانه با خرابی محصول به طور قابل توجهی بیشتر پرداخت می کنند و در دراز مدت به یاد می آورند (و آسیب شهرت).

اما با ظهور مدل سازی شبیه سازی ، مهندسان و طراحان در تمام صنایع به روشی ارزان برای آزمایش محصولات خود در هر شرایطی دسترسی پیدا کرده اند.

دینامیک سیال محاسباتی به طور خاص به مهندسان این امکان را می دهد تا طرح هایی از محصولات را که جریان سیال ، تلاطم و انتقال حرارت محاسبات حیاتی است ، آزمایش و بهبود بخشند.

اما آزمایش تنها بخشی از معادله است.

قادر به به روزرسانی طرح های CAD به سرعت و کارآمد برای برطرف کردن مشکلاتی که توسط تجزیه و تحلیل CFD پرچم گذاری شده اند ، هنوز هم برای طراحان مشکل است - زیرا اغلب به کار مجدد دستی زیادی نیاز دارد.

برای فعال کردن پذیرش در مقیاس بزرگ شبیه سازی در صنایع ، برنامه های شبیه سازی باید آسان تر شوند.

اگر یک طراح یا یک مهندس هستید که با CAD و شبیه سازی کار می کنید ، با میزان کار مورد نیاز برای طراحی مجدد محصولات بر اساس خروجی های شبیه سازی آشنا هستید. بیشتر نرم افزار CFD مدل CAD شما را به روز نمی کند. درعوض ، آنها به شما "فیلد بردار" می دهند تا تغییر شکل لازم را برای بهینه سازی مدل خود نشان دهید. سپس مسئولیت طراح است که به صورت دستی طراحی را تغییر دهد.

این فرآیند طراحی مجدد دستی می تواند با استفاده از ابزار Morphing BREP Spepial به صورت خودکار انجام شود. با توجه به یک قسمت تغییر شکل بردار (مجموعه ای از نقاط قبل و بعد از آن) ، این مجموعه ابزار به شما امکان می دهد هر هندسه Brep را بطور خودکار تغییر دهید. بنابراین ، مهندسان می توانند نتایج شبیه سازی را به راحتی در طراحی خود قرار دهند.< Pan> برای امکان پذیرش در مقیاس بزرگ شبیه سازی در صنایع ، برنامه های شبیه سازی باید آسانتر شوند.