فهرست محتوا
دینامیک سیالات محاسباتی (Computational Fluid Dynamics یا CFD) شاخه‌ای از علوم مکانیک است که به بررسی رفتار و ویژگی‌های سیالات می‌پردازد، مانند جریان آب، هوا و گازها. در این حوزه، از روش‌های عددی و الگوریتم‌های محاسباتی برای تحلیل و شبیه‌سازی این پدیده‌ها استفاده می‌شود.
استفاده از کامپیوترها در CFD به ما کمک می‌کند تا به درستی جریانات سیالاتی را در ارتباط با سطوح مرزی مختلف شبیه‌سازی کنیم. این رشته در واقع پلی است که بین مکانیک سنتی و توانایی‌های جدید محاسباتی و علوم کامپیوتر در دهه‌های اخیر بوجود آمده است.
چرا از CFD استفاده می شود؟
با گذشت زمان و پیشرفت قدرت محاسباتی کامپیوترها، مهندسین اکنون بیشتر از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری برای تجزیه و تحلیل فرایندهای مختلف مکانیکی استفاده میکنند به جای آزمایش‌های زمان‌بر و هزینه‌بر.
این روند باعث شده که علوم مکانیک و علوم کامپیوتر به یکدیگر نزدیک‌تر شوند و ارتباط نزدیکی برقرار کنند. یکی از مثال‌های واضح این تلاقی، استفاده گسترده از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) برای شبیه‌سازی جریانهای سیال است.
به طور کلی، بهبود تکنولوژی کامپیوتر و افزایش قدرت محاسباتی آنها، CFD را به یک ابزار بسیار مهم و پرکاربرد در محاسبات و شبیه‌سازی در زمینه مکانیک سیالات تبدیل کرده است.
محاسبات و پارامترهای مورد بررسی در نرم افزار CFD
نرم‌افزارهای دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) با استفاده از روش‌های محاسبات عددی پیچیدگی‌های فیزیکی مانند جریان سیالات را با استفاده از کدهای نرم‌افزاری شبیه‌سازی میکنند.
این ابزارها به وسیله قدرت محاسباتی کامپیوترها می‌توانند مسائل پیچیده‌تری را حل کنند که با روش‌های سنتی ممکن نیست.
استفاده از نرم‌افزارهای CFD به مهندسان این امکان را می‌دهد که بهتر از پیش رفتار سیالات در شرایط مختلف را درک کنند. این نرم‌افزارها در زمینه‌های مختلف از جمله تحقیقات، طراحی و تولید در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند.
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
در شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)، متغیرهای مختلفی مانند سرعت، چگالی، ویسکوزیته، دما و فشار برای مطالعه دقیق جریان سیال مورد بررسی قرار می‌گیرند.
برای این کار، ابتدا یک مدل ریاضی برای پدیده فیزیکی مورد نظر ارائه می‌شود. سپس با استفاده از روش‌های عددی و نرم‌افزارهای خاص، محاسبات لازم برای به دست آوردن اطلاعات مختلف جریان سیال انجام می‌شود.
این محاسبات به ما این امکان را می‌دهند که تغییرات فیزیکی مانند انتقال حرارت و جریان سیال را در زمان مورد بررسی قرار دهیم.
مدل‌های ریاضی استفاده شده در این شبیه‌سازی‌ها بر اساس مختلف بودن حالات مسئله مانند انتقال حرارت، انتقال جرم، واکنش شیمیایی، تغییر فاز و دیگر پدیده‌های مهم در علم مکانیک سیالات طراحی می‌شوند.
یکی از چالش‌های اصلی در این نوع شبیه‌سازی‌ها، اعتبارسنجی نتایج حاصله است که وابسته به ساختار کلی فرایند شبیه‌سازی است. ارزیابی صحت مدل ریاضی استفاده شده در طول فرآیند شبیه‌سازی و انتخاب روش عددی مناسب برای حل مسئله، از جمله مسائل مهمی هستند که باید به آنها توجه شود.
کاربرد نرم افزار CFD
اکنون، استفاده از روش دینامیک سیالات محاسباتی به‌عنوان یکی از ابزارهای اصلی برای تحلیل مسائل مربوط به جریان سیالات و انتقال حرارت در حوزه‌های مختلف صنعتی، ویژگی خاصی دارد.
این روش به طور گسترده در صنایعی که به سیالات، انتقال حرارت و جابجایی مواد از طریق سیالات وابسته هستند، استفاده می‌شود.
- 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 روش‌های استفاده شده در طراحی سیستم‌های تهویه مکانیکی برای مدیریت دود، استفاده از نرم‌افزارهای شبیه‌سازی و گاهاً CFD (دینامیک سیالات محاسباتی) است.
قبلاً برای طراحی و تولید محصولات، به آزمایش‌های فیزیکی در آزمایشگاه و محاسبات دستی اتکا می‌شد. اما امروزه با پیچیدگی‌های بیشتر در طراحی و فشار رقابتی برای کاهش هزینه‌ها، مدل‌سازی و شبیه‌سازی فرآیندها به طور گسترده در حوزه‌های مختلف به کار می‌رود.
این مدل‌ها توانایی دارند که جریانهای مختلف ناشی از حریق را با جزئیات واقعی شبیه‌سازی کنند. به طور خاص، در زمینه مدیریت و کنترل دود در پارکینگ‌ها، شبیه‌سازی CFD به عنوان ابزاری موثر و قابل اعتماد برای تحلیل وضعیت‌های بحرانی استفاده می‌شود.
این ابزار کمک می‌کند تا نقاط حساس شناسایی شده و شرایط بهتری برای مدیریت و تخلیه دود ایجاد شود.
شبیه سازی سیستم های تهویه پارکینگ به کمک نرم افزار CFD
با توجه به گزارشات آتش‌نشانی، یکی از خطرناک‌ترین حوادث آتش‌سوزی، در پارکینگ‌های زیرزمینی رخ می‌دهد. در این شرایط، عملیات نجات و خاموش‌کردن آتش با چالش‌های زیادی همراه است، به‌ویژه که دود به طور معمول در این مکان‌ها تجمع می‌یابد.
احتمال گمراه شدن و گرفتار شدن در دود، به‌ویژه در پارکینگ‌هایی که پیچیدگی و وسعت دارند، بسیار بالا است.
به دلیل هزینه‌بر بودن آزمایشات با ابعاد واقعی یا حتی ماکت، استفاده از نرم‌افزارهای شبیه‌سازی مانند PyroSim برای تحلیل سیستم تهویه و خروج دود در پارکینگ‌های زیرزمینی، امری اساسی و ضروری است.
این نرم‌افزارها برای شبیه‌سازی چگونگی گسترش آتش و حرکت دود در این فضاها، از جمله ابزارهای موثر است.
تحلیل سیستم‌های تهویه در پارکینگ‌ها به دلیل پیچیدگی رفتار آلاینده‌ها، تعداد بالای ورودی و خروجی، و هندسه فضایی، دشوار است.
به همین دلیل، استفاده از نرم‌افزارهای شبیه‌سازی آتش‌سوزی و حریق، که به تحلیل جوانمایی صحیح از جت فن‌ها در پارکینگ‌ها کمک میکنند، ضروری است.
دلایل استفاده از سیستم‌های تهویه در پارکینگ‌ها به دو مورد زیر برمی‌گردد:
1. تخلیه دود ناشی از حریق: اگر در پارکینگ زیرزمینی حریق رخ دهد، سیستم‌های تهویه باید بتوانند دود را به خارج از ساختمان کشانده و مسیر خروج را برای افراد و امدادگران آسان کنند.
2. فراهم کردن سطح مطلوبی از کیفیت هوا: سیستم‌های تهویه باید هوای تازه و کیفیت مناسبی را در پارکینگ زیرزمینی فراهم کنند تا از نظر ایمنی و راحتی کاربران، شرایط مطلوبی فراهم شود.
در پارکینگ‌های زیرزمینی، سیستم‌های تهویه هوا معمولاً به دو روش کانالی و استفاده از جت فن عمل میکنند. برای تحلیل صحیح عملکرد این سیستم‌ها، به ویژه در پارکینگ‌های بزرگ، استفاده از نرم‌افزارهای شبیه‌سازی CFD ضروری است. این نرم‌افزارها به دلیل پیچیدگی زیاد رفتار دود و هوا، ارائه نتایج دقیق‌تری نسبت به روش‌های تحلیلی و تجربی دارند.
همچنین، بر اساس مقررات بین‌المللی و استانداردهایی که توسط سازمان آتش‌نشانی تعیین شده، سیستم‌های تهویه در پارکینگ‌های زیرزمینی باید حداقل طول میدان دید یا حداکثر دمای فضا در صورت بروز حریق را رعایت کنند. این استانداردها همچنین استفاده از روش‌های دینامیک سیالات محاسباتی را برای ارزیابی و تضمین عملکرد صحیح سیستم‌های تهویه و تخلیه دود پارکینگ توصیه میکنند.
مزایای استفاده از CFD:
استفاده از محاسبات CFD نسبت به روش‌های تجربی هزینه کمتری دارد. با پیشرفت قدرت سخت‌افزار، هزینه‌های زمانی نیز کاهش می‌یابد. این روش به ما امکان می‌دهد که حالت‌های مختلف طراحی را پیش‌بینی کرده و محصولات را قبل از ساخت و تست فیزیکی نمونه اولیه، بهینه‌سازی کنیم.
با استفاده از CFD، می‌توانیم مدل‌های پیچیده‌ای را مطالعه کنیم که به راحتی با روش‌های تجربی آزمایش نمی‌شوند، مانند انتقال حرارت در جریانهای مافوق صوت.
در شبیه‌سازی CFD، خطای اندازه‌گیری وجود ندارد، به این معنی که نتایج به دقت بالایی ارائه می‌شوند.
