مروری بر نرمافزارهای کاربردی دینامیک سیالات محاسباتی
با توجه به کاربرد گسترده دینامیک سیالات محاسباتی در پژوهشهای دانشگاهی و تحقیقات صنعتی، نرمافزارهای متعددی در این زمینه توسعه یافتهاند. این نرمافزارها عمدتا ابزارهای مدلسازی، حلگرهای محاسباتی و رابطهای تصویرسازی و ارائه گزارش را در خود گنجاندهاند. بیشتر نرمافزارهای ارائه شده در حوزهی دینامیک سیالات محاسباتی تجاری میباشند، اما با این حال برخی از نرمافزارهای متنباز و رایگان منتشر شده بسیار کارآمد بوده و با نمونههای تجاری قابل رقابت میباشند. تعداد نرمافزارهای منتشر یافته در این زمینه بسیار زیاد میباشد و در ادامه تنها به معرفی شمار اندکی از آنها پرداخته خواهد شد.
انسیس
نرمافزارهای دینامیک سیالات محاسباتی انسیس، امکان شبیهسازی جریان سیال را در طیف گستردهای از کاربردهای علمی و صنعتی میسر میگردانند. به کمک بستههای ارائه شده در این نرمافزار امکان طراحی و بهینه سازی تجهیزات جدیدی امکانپذیر شده و در مقابل نیز میتوان عیوب و مشکلات فنی تجهیزات قدیمی را شناسایی و برطرف نمود. پدیدههای چندفازی، ایزوترمال یا واکنشی و جریانهای تراکمپذیر از جمله فرآیندهای پیچیدهای هستند که این نرمافزار به خوبی آنها را شبیهسازی میکند.
دو بستهی نرمافزاری انسیس فلوئنت و انسیس CFX از جمله نرمافزارهای مشهور و پراستفاده انسیس می باشند که در چند سال اخیر با اعتبارسنجیهای صورت گرفته در پژوهشهای مختلف به خوبی مورد قبول جامعهی دانشگاهی و صنعتی قرار گرفته اند. دقت و سرعت بالای حلگرها، دانش، تخصص و تجربهی تیم توسعه دهنده و ظرفیتهای بزرگ و قابل توجه این نرمافزارها منجر به آن شده که در اکثر موارد نتایج قابل قبولی از شبیه سازی آنها حاصل شود. نرمافزار انسیس امکان موازی سازی مسئله را بر روی هستههای پردازشگر فراهم آورده است. در بستر workbench، فلوئنت و CFX با ابزارهای تصویرسازی و گزراشدهی نظیر CFD-POST ترکیب میشود و از طرفی دیگر با چیدن مسیر کاری مناسب در ورکبنچ امکان بهینهسازی، تغییر پارامتریک و پیادهسازی FSI میسر شده است
استار سی سی ام
Simcenter STAR-CCM یک نرمافزار دینامیک سیالات محاسباتی برای شبیهسازی پدیدههای سیالاتی در شرایط واقعی میباشد. این نرمافزار امکان طراحی خودکار و بهینهسازی محصولات را به کمک ابزارهای متنوعی فراهم کرده است. امکان شبکهبندی خودکار، حلگرهای سیالاتی کارآمد و پس پردازش مناسب باعث شده تا مهندسان فرآیند تحلیل و طراحی را به سرعت در نرمافزار استار سی سی ام پیاده کنند. لازم به ذکر است که نرمافزار استار سی سی ام، اولین نرمافزار شبیهسازی سیالاتی است که روش المان گسسته را برای حل عددی سیال فراهم کرده است. این روش به بررسی کنش و اندرکنش آشفتگی در جریان سیال کمک به سزایی میکند. در استار سی سی ام کتابخانهی بسیار گستردهای برای مدلسازی پدیدههای هوافضایی وجود دارد که از جملهی آنها میتوان به مدلهای پایا، DES / LES و مدلهای انتشاری اشاره کرد. شبیهسازی باتریهای لیتیومی قابلیت دیگری است که توسط نرمافزار استار سی سی ام امکان پذیر میباشد.
کامسول
کامسول (CFD Module – Comsol)
این نرمافزار نیز امکان شبیهسازی جریانهای سیالاتی را فراهم میکند. از نرمافزار کامسول به خوبی میتوان در جریانهای چندفازی بهره جست. ابزارهای ارائه شده در این نرمافزار امکان شبیهسازی جریانهای پیچیده را میسر کردهاند، در ادامه به برخی از این موارد اشاره خواهد شد.
– جریانهای تراکم پذیر و تراکم ناپذیر
– جریانهای آشفته و آرام
– جریانها در محیطهای متخلخل یا کانالهای باز
– فیلمهای باریک جریان
کامسول این قابلیت را دارد تا ساختار جریان در آن به صورت دوبعدی و سه بعدی تعریف شده و در حالت پایا یا گذرا مورد بررسی قرار گیرد. جریانهای دارای ماخ بالا، سیالات غیرنیوتونی، جریانهای چرخشی، جریانهای واکنشی، تحلیل Conjugate و تحلیل FSI از دیگر مواردی است که شبیهسازی آنها به کمک نرمافزار کامسول امکان پذیر است.
اپنفوم
اپنفوم در سال ۲۰۰۴ منتشر شد. این نرمافزار در حقیقت یک نرم افزار متنباز در حوزهی دینامیک سیالات محاسباتی میباشد. اپنفوم کاربران بسیار زیادی در علوم و حوزههای مختلف مهندسی دارد. جامعهی کاربری اپنفوم را مراکز دانشگاهی و ارگانهای تجاری شامل میشوند. اپنفوم ویژگیهای متعددی را برای شبیهسازی جریانهای ساده و پیچیده گردآوری کرده است. واکنشهای شیمیایی، انتقال حرارت، توربولانس، جامدات، الکترومغناطیس و آکوستیک از جمله مباحثی میباشد که شما می توانید به کمک اپنفوم به تحلیل آنها بپردازید. از ویژگیهای برجسته و متمایز اپنفوم جامعه کاربری آن میباشد. این جامعه در برگیرندهی اساتید، محققان و دانشجویانی است که همواره در حال توسعه حلگرهای این نرمافزار میباشند. بدین خاطر هر ۶ ماه تا ۱ سال نسخهی جدید این نرمافزار انتشار مییابد که بهبود چشمگیری را در ارتقاء شبیهسازیها به ارمغان میآورد.
سیم اسکیل
سیم اسکیل یک نرم افزار ابری است که امکان آزمایش، اعتبارسنجی، بهینهسازی و حل مسئله را به کمک شبیهسازی آنلاین فراهم میآورد. در حقیقت تمام شبیهسازی در مرورگر اینترنت شما صورت میگیرد. بدین خاطر شما دیگر با مشکلاتی نظیر کمبود ظرفیت محاسباتی کامپیوتر، هزینههای بالا و محدودیتهای مرسوم نرمافزارهای تجاری رو به رو نخواهید شد.
در جریانهای گذرا به زمان و هزینهی بیشتری برای شبیهسازی نیاز میباشد. نرمافزار سیم اسکیل با ارائه حلگرهای مبتنی بر پردازشگرهای GPU و استفاده از روش لتیس بولتزمن، سرعت و دقت حل چنین جریانهایی را افزایش داده است. قابلیت اجرای موازی حلگرهای Simscale بر روی GPU ها باعث کاهش ۲۰ تا ۳۰ برابری زمان حل نسبت به حالت استاندارد شده است.
سیم اسکیل از الگوهای مدلسازی آشفتگی چندگانه نظیر Smagorinsky ، K-Omega SST ، Hybrid SST ، IDDES و SST-DDES استفاده میکند. هنگامی که تراکمپذیری شرایط غالب مسئله باشد، سیم اسکیل به خوبی امکان مدلسازی و توسعهی این پدیدهها را فراهم میآورد.
با توجه به قابلیتهای این نرمافزار، میتوان از آن در طراحی هواپیماها، ایرفویلها، مجراها، شیرهای صنعتی و سایر موارد کاربردی دیگر بهره جست. سیم اسکیل به خوبی با جریانهای آرام و آشفته کار میکند، بدین خاطر می توان از آن در طراحی لولهها، انتشار دود، تهویه اتاق و جدا کنندههای سیکلونی بهره جست. در این نرمافزار امکان شبیهسازی جریان چندفازی به کمک روش VOF وجود دارد. این نرم افزار از حلگرهای اپنفوم برای بررسی چندسیال مخلوط نشدنی نظیر آب و روغن استفاده میکند. مدلسازی MRF و مش دینامیک از دیگر قابلیتهایی است که این نرم افزار را در حوزهی توربوماشینها و ناوبریهای هوایی و دریایی بسیار کارآمد کرده است.
فلو اسکوئر
نرمافزار دیگری که در این مقاله به معرفی آن پرداخته میشود، نرمافزار Flowsquare میباشد. این نرمافزار امکان شبیهسازی و تحلیل جریانهای ناپایا،جریانهای واکنشd یا غیرواکنشی را در رژیمهای فروصوت یا فراصوت جریان به صورت دو بعدی فراهم کرده است. رابط کاربری این نرمافزار باعث شده تا توجه طیف گستردهای از پژوهشگران و دانشجویان را به خود جلب کند.
بسیاری از نرمافزارهای تجاری دینامیک سیالات محاسباتی در حجم سنگین و قیمت بالا ارائه میشوند. اما نرمافزار فلواسکوئر رایگان میباشد و تمامی علاقه مندان میتوانند از آن استفاده کنند. این نرم افزار نیاز به داشتن مهارت در زمینهی مدلسازی، شبکهبندی و فرآیندهای پیش یا پس پردازشی ندارد. در سادگی این نرمافزار همین بس که شما میتوانید کارتان را با ابزار نقاشی paint در آن شروع کنید. دامنهی محاسباتی در این نرمافزار به صورت عکس یا فایل تکست ایجاد میگردد. شما میتوانید فرآیند گزارشدهی را در قالب فایلهای Bitmap ارائه دهید. گزارشدهی این نرمافزار بر اساس کانتورهای برداری، ذرات لاگرانژی و نمودارها میباشد.
