نرم افزار شبیه سازی Computational Fluid Dynamics (CFD)

CFD نام شاخه ای از علوم مکانیک با عنوان دینامیک سیالات محاسباتی Computational Fluid Dynamics است. که مسائل مشتمل بر شاره های سیالات را با بهره بردن از آنالیز عددی و الگوریتم های عددی تحلیل می نماید. در این رشته،از کامپیوترها برای شبیه سازی بر هم کنش مایعات و گازها با سطوح شرایط مرزی استفاده می گردد.این شاخه از مکانیک سیالات، پل ارتباطی میان مکانیک قدیم و توانمندی های جدید محاسباتی و همچنین علوم کامپیوتر در نیمه دوم قرن بیستم است.

چرا از CFD استفاده می شود؟

از آنجایی که طراحی و بهبود سیستم های مختلف مکانیکی همواره نیازمند انجام آزمایشات گوناگون بوده. و تمامی این آزمایشات و بازطراحی ها نیز بسیار وقت گیر و پرهزینه است. و فرایند طراحی و ساخت را با چالش های فراوانی روبرو می سازند.

از این رو با گذشت زمان و با افزایش توان محاسباتی کامپیوترها،مهندسین برای شبیه سازی فرایندهای مختلف مکانیک از کامپیوترها بیشتر استفاده نموده. و علم مکانیک و کامپیوتر به یکدیگر پیوند خورده اند. یکی از ملموس ترین استفاده های این موضوع در شبیه سازی میدان جریان سیال با استفاده از CFD یا دینامیک سیالات محاسباتی است.

در اصل بهبود سیستم های کامپیوتری و افزایش توان محاسباتی آنها،دینامیک سیالات محاسباتی را تبدیل به یکی از پرکاربردترین ابزارها در انجام محاسبات و شبیه سازی مهندسی در زمینه مکانیک سیالات نموده است.

محاسبات و پارامترهای مورد بررسی در نرم افزار CFD

نرم افزار CFD یا دینامیک سیالات محاسباتی به کمک روش محاسبات عددی مدرن، قوانین و معادلات فیزیکی مورد نیاز برای حل مسائل  را از طریق کدهای نرم افزاری شبیه سازی می نمایند و شبیه سازی را می توان با استفاده از قدرت کامپیوتر انجام داد.

شبیه سازی توسط نرم افزارهای CFD به مشاغل این امکان را می دهد. که پا را از روش های کلاسیک فراتر نهاده. از واکنش سیالات در شرایط خاص به کاربران درک بیشتری ارائه دهند. این نرم افزارها را می توان در صنایع مختلف در زمینه تحقیق، طراحی و ساخت استفاده نمود.

برای انجام یک شبیه سازی دقیق باید در زمینه های زیر اطلاعات کافی و جامعی داشته باشیم که عبارتند از:

• الگوریتم عددی

• سخت افزارها و منابع محاسباتی

• معادلات دیفرانسیل با مشتقات جزئی

پارامترهای مختلف سیال مانند سرعت،چگالی و ویسکوزیته،دما و فشار در یک شبیه سازی CFD مورد بررسی قرار گرفته. و تمامی موارد نام برده،برای رسیدن به پاسخی درست با دقت بالا برای یک جریان سیال محاسبه می شوند.

برای شبیه سازی جریان سیال در ابتدا یک مدل ریاضی برای پدیده فیزیکی ارائه شده. و سپس با استفاده از یک روش عددی و نرم افزاری خاص، به انجام محاسبات و به دست آوردن پارامترهای مختلف جریان سیال می پردازند. با انجام این محاسبات،تغییرات فیزیکی مختلف یک سیال در زمان انتقال حرارت و جریان سیال،قابل توصیف است.

مدل های ریاضی ارائه شده در این شبیه سازی ها، بر اساس حالات مختلف مسئله که شامل انتقال حرارت،انتقال جرم،واکنش شیمیایی،تغییر فاز و سایر موارد موجود در علم مکانیک سیالات است می باشد.

از چالش های بسیار مهم در شبیه سازی جریان سیال به کمک دینامیک سیالات محاسباتی،قابل اعتبار بودن نتایج است که بستگی به ساختار کلی فرایند شبیه سازی دارد. “صحت سنجی مدل ریاضی” مورد استفاده در مسیر شبیه سازی اهمیت ویژه ای داشته. و در کنار آن،انتخاب درست روش عددی در مسیر حل مسئله از دیگر مسائل قابل توجه است.

کاربرد نرم افزار CFD

امروزه برای انجام تحلیل های مهندسی روش دینامیک سیالات محاسباتی دارای جایگاه ویژه ای در بین روش های آزمایشگاهی و تحلیلی برای آنالیز مسائل سیالات و انتقال حرارت است و به صورت گسترده ای در بخش های مختلف صنعتی مرتبط با سیالات،انتقال حرارت و انتقال مواد به کمک سیال استفاده می گردد که می توان به این زمینه ها اشاره نمود:

• صنایع دریایی
• صنایع هوافضا
• توربوماشین ها
• صنایع هسته ای
• نفت و گاز و انرژی
• خودروسازی
• بیوتکنولوژی
• مهندسی شیمی
• برنامه ریزی شهری
• ساخت وسایل لوله کشی
• صنایع نظامی
• سیستم های مدیریت آب
• مهندسی عمران
• و غیره

یکی از روش های طراحی سیستم های تهویه مکانیکی دود ; استفاده از نرم افزار های شبیه سازی و بعضاً محاسبات CFD (دینامیک سیالات محاسباتی) می باشد.

در گذشته برای طراحی و نهایتا تولید یک محصول تنها بر تست های آزمایشگاهی ; فیزیکی و محاسبات دستی تکیه می شد. اما با افزایش پیچیدگی های طراحی و رقابت برای کاهش هزینه ها امروزه مدل سازی و شبیه سازی فرآیند ها به طور گسترده در زمینه های مختلف مورد استفاده قرار می گیرد.

این مدل توانایی شبیه سازی جریان های ناشی از حریق ، با جزئیات واقعی را دارا می باشد .در واقع تنها ابزار قابل اطمینان و کاربردی بر تحلیل سیستم‌های مدیریت و کنترل دود در پارکینگ ها شبیه سازی CFD است. که کمک می کند تا نقاط بحرانی شناسایی گردد و شرایط بهتری برای کنترل و تخلیه دود به عمل آید.

شبیه سازی سیستم های تهویه پارکینگ به کمک نرم افزار CFD

با توجه به گزارشات سازمان آتش نشانی،یکی از خطرناکترین حوادث آتش سوزی، مربوط به پارکینگ های زیرزمینی می باشد که در این شرایط انجام عملیات نجات و اطفا حریق با چالش های فراوانی همراه است.در این شرایط و با تجمع دود انسداد دید اتفاق افتاده. و احتمال گم کردن مسیر و گرفتار شدن در دود بخصوص در پارکینگ هایی که دارای وسعت و پیچیدگی هستند بسیار محتمل است.

با توجه به هزینه بر بودن آزمایشات در ابعاد ماکت و یا ابعاد واقعی و عدم امکان استفاده در پروژه های ساختمانی، برای تحلیل سامانه تهویه پارکینگ در زمان حریق از نرم افزارهای CFD استفاده می گردد تا از عملکرد سامانه تهویه و تخلیه دود پارکینگ اطمینان حاصل شود.

تحلیل سیستم های تهویه پارکینگ ها به دلیل پیچیدگی رفتار آلاینده ها، تعداد زیاد ورودی ها و خروجی ها و هندسه فضا مشکل بوده و به همین دلیل برای جانمایی صحیح جت فن ها در پارکینگ از نرم افزارهای شبیه سازی آتش سوزی و حریق استفاده می گردد.

یکی از این نرم افزارها پایروسیم PyroSim می باشد که از نرم افزارهای شبیه سازی CFD یا مکانیک سیالات محاسباتی بوده و با استفاده از آن می توان نحوه گسترش حریق و حرکت دود را در پارکینگ مشاهده نمود.

از سیستم های تهویه پارکینگ به دو دلیل استفاده می گردد:

• تخلیه دود ناشی از حریق
• فراهم کردن سطح مطلوبی از کیفیت هوا

سامانه تهویه در پارکینگ های زیرزمینی به دو روش کانالی و استفاده از جت فن بوده و تنها راه تحلیل عملکرد سامانه تهویه هوا بخصوص به دلیل اینکه در پارکینگ های بزرگ استفاده از روش های تحلیلی و تجربی نتایج نامطمئنی دارد استفاده از نرم افزارهای شبیه سازی CFD است.

علاوه بر مقررات و استانداردهای بین المللی که حداقل طول میدان دید یا حداکثر دمای فضا در صورت بروز حریق را مورد توجه قرار می دهد. سازمان آتش نشانی نیز در ضوابط ملاک عمل سامانه های تهویه،تخلیه و کنترل دود، استفاده از روش های دینامیک سیالات محاسباتی را،به منظور کسب اطمینان از عملکرد درست سامانه تهویه و تخلیه دود پارکینگ مدنظر قرار داده است.

مزایای استفاده از  CFD:

• محاسبات CFD در مقابل روش های تجربی هزینه کمتری دارد . با افزایش قدرت سخت افزار می توان هزینه های زمانی را کاهش داد .
• با این روش امکان پیش‌بینی حالت های مختلف طراحی، به منظور بهینه سازی محصول ، قبل از ساخت و تست فیزیکی نمونه اولیه فراهم می شود.
• تحلیل مدل هایی که به سادگی قابل آزمایش نیستند را مانند انتقال حرارت در جریان مافوق صوت ممکن می سازد.
• خطای اندازه گیری در شبیه سازی وجود ندارد.

 

محاسبات سیستم تهویه پارکینگ ها