ما هي محاكاة العقود مقابل الفروقات؟
متابعة التصفح:
آخر أخبارنا:
مشاريعنا:
مجالات تدخلنا:
ما هي محاكاة العقود مقابل الفروقات؟
في هذه المقالة ، سنركز على فهم محاكاة CFD بشكل عام من خلال تفصيل الخطوات المختلفة الشائعة لأنواع المحاكاة المختلفة (هندسة المناخ ، الهيدرولوجيا ، نقل الحرارة ، انتشار التلوث ، السلامة من الحرائق ، إلخ).
تعريف العقود مقابل الفروقات
[computationnal fluids dynamics] يعتمد نجاح محاكاة CFD على ما يلي: فهم تحديات النموذج؛ وصف كامل لهندسة الهيكل؛ تطوير شبكة تتكيف مع شكل الهيكل، مما يجعلها أكثر كثافة في المناطق التي من المحتمل أن تظهر فيها تدرجات الكميات المطلوبة؛ دراسة دقيقة للظروف الحدودية والظروف الأولية، مع مراعاة الآليات الهوائية أو الهيدروليكية الأكثر تأثيرًا. وأخيرا ، قراءة دقيقة ونقدية من قبل مهندسين مؤهلين للنتائج وفقا للمشكلة المدروسة.
لماذا استخدام محاكاة العقود مقابل الفروقات؟
CFD ، اختصار ل “ديناميات الموائع الحسابية” ، هي أداة هندسية تندرج تحت ما يعرف باسم الهندسة بمساعدة الكمبيوتر (CAE). على وجه التحديد ، يشير CFD إلى محاكاة تدفق السوائل ، مع مراعاة الظواهر الفيزيائية والكيميائية المعنية (مثل الاضطراب أو نقل الحرارة أو التفاعلات الكيميائية).
محاكاة CFD: بديل لاختبار نفق الرياح
اختبار نفق الرياح
الغرض من اختبار نفق الرياح هو إعادة إنتاج التفاعل بين الرياح المضطربة والهياكل. بالنسبة للهياكل شديدة الانحدار من الناحية الهيكلية ، من الممكن تقييم الأحمال الديناميكية الهوائية على النماذج الصلبة.
تم استخدام اختبار نفق الرياح على نطاق واسع لتطبيقات الهندسة الصناعية والمدنية على مدى العقود الخمسة الماضية.
يتطلب اختبار نفق الرياح إعدادا مكلفا وأدوات متطورة لقياس مجموعة من المتغيرات الميدانية (سرعة الرياح ، وأحمال الضغط ، وشدة الاضطراب ، وما إلى ذلك). ويتمثل القيد الرئيسي في أن هذه القياسات لا يتم الحصول عليها إلا في نقاط محددة قليلة في قسم الاختبار، مما يحد بشدة من الفهم العام لل عمليات التطورية أو العابرة للظواهر المعقدة غير المستقرة (مثل تمزيق الدوامات والموجات المضطربة والطبقات الحرارية).
دراسة التهوية الطبيعية في أنفاق الرياح
دراسة نفق إيفل الريحي - الائتمان @AirDesignLab
محاكاة العقود مقابل الفروقات: تطور من نوع صندوق الأدوات
تقدم العقود مقابل الفروقات العديد من المزايا مقارنة باختبار نفق الرياح. بالإضافة إلى توليد عمليات محاكاة واسعة النطاق (بدلا من النماذج المصغرة للعديد من عمليات المحاكاة الفيزيائية) ، فإنه يوفر أيضا بيانات تكميلية ويسمح بمقارنة سرعات الرياح المتزامنة بين نقطتين لرياح معينة. من الممكن إجراء دراسات هيدرولوجية أو هوائية أو حرارية على مستويات مختلفة: من الإلكترونيات الدقيقة إلى دراسات المباني والمدن. يمكن تصور النتائج بشكل أكثر وضوحا وشرحها لأكبر عدد ممكن من الأشخاص.
محاكاة العقود مقابل الفروقات: مجموعة واسعة جدا من التطبيقات
-
صندوق الأدوات الذي يسمح:
- محاكاة تدفق السائل حول الجسم أو داخله
- الهوائيه
- دراسة الراحة في مهب الريح
- دراسة أحمال الرياح
-
صندوق الأدوات الحرارية:
- دراسة تبادلات الحمل الحراري
- دراسة التبادلات الموصلة
- دراسة التبادلات الإشعاعية
-
صندوق أدوات الفيزياء المتعددة:
- تصور تشتت الملوثات
- دراسة شفط الدخان
- دراسة حركة الغبار والرمل وما إلى ذلك.
- دراسة حركة الأشياء والمراوح والمضخات وما إلى ذلك.
-
دراسة الهيدرولوجيا:
- تدفق السوائل
- خطر الغمر
- خطر هطول الأمطار أو الثلوج
تتيح هذه الطرق حل مجموعة واسعة جدا من المشكلات التي سنقدمها أدناه.
ما الذي يمكن أن يجلبه استخدام محاكاة العقود مقابل الفروقات؟
وبفضل المحاكاة، يمكن تحسين تصميم العملية أو المنتج دون اللجوء إلى بناء نماذج أولية(مكلفة وتستغرق وقتًا طويلاً)؛ ويمكن تجنب سوء اتخاذ القرار؛ ويمكن الحصول على معرفة أفضل بالعملية أو المنتج، مما يجعل من الممكنالتقدم بسرعة أكبر في عملية التصميم (اختيار أفضل الحلول)، وكذلك حل المشاكل التي تنشأ في المنشآت أو العمليات التي تعمل بالفعل.
منذ ذلك الحين ، يمكن طرح إطار المشكلة المادية ، ويمكن دراستها في المحاكاة العددية CFD.
نظرة عامة على نموذج CFD
كيف يتم تنظيم مشروع محاكاة العقود مقابل الفروقات؟
كم من الوقت يجب أن أخطط لمشروع CFD؟
وبصفة عامة، يتضمن مشروع محاكاة الموائع دراسة أولية للعملية/الظاهرة المراد تحليلها، وإنشاء نموذج هندسي مفصل، واختيار (وتنفيذ النماذج الرياضية المناسبة إذا لزم الأمر)، وتطبيق بيانات التشغيل كشروط حدية، والحساب العددي (الذي يمكن أن يتراوح من بضع دقائق إلى بضعة أيام، اعتمادًا على مدى تعقيد الحساب) وتحليل النتائج.
لذلك ، على الرغم من حقيقة أن التطبيقات قد تم تطويرها في السنوات الأخيرة لتسهيل استخدامها ، فإن تنفيذ مشروع CFD بشكل صحيح يتطلب خبرة واستثمارا كبيرا في الموارد.
تعريف مشكلة الدراسة
قبل أن نبدأ دراسة التصميم ، نحتاج إلى طرح بعض الأسئلة المهمة عليك. هذه الأسئلة حاسمة في تحديد الهندسة التي سنبدأ بها التحليلات ، وأي أجزاء من تصميمك يجب التركيز عليها ، والمعلمات التي يجب مراعاتها بمجرد اكتمال التحليل.
-
فهم مشكلتك
- ما هي ظروف تشغيل هذا التصميم؟
- ما هي المواد المستخدمة في هذا التصميم؟
-
ماذا تريد أن تعرف عن أداء هذا التصميم؟
- ما هي أهداف هذا التصميم؟
- هل هناك أي معايير للنجاح أو الفشل؟
-
ما الذي يمكنك تغييره في هذا التصميم لتحقيق أهدافك؟
- هل يمكنك تغيير ظروف التشغيل؟
- هل يمكنك تغيير المواد؟
- ما هي أجزاء التصميم التي يمكن تغييرها؟
بمجرد الإجابة على هذه الإجابات على الأسئلة التي تعمل على تحسين فهم المشكلات ، فإننا نوضح بالتفصيل هنا عملية نمذجة CFD الشائعة لجميع أنواع المشاريع.
إعداد نموذج 3D
كيف يتم إنتاج نموذج 3D CFD؟
تبدأ المحاكاة الفعالة بتقنيات النمذجة الجيدة من حيث سلامة النموذج والإنشاء المناسب لمناطق تدفق السوائل المختلفة وتحسين الشبكة. الخطوة الأولى هي تصميم نموذج لتحليل تدفق السوائل. وهذا يعني نمذجة الهندسة حيث يحدث التدفق وتحسين النموذج للمحاكاة.
تحسين نموذج المحاكاة
-
المشكلة:
- يمكن أن تحتوي الهندسة على مستوى الإنتاج على فجوات وفجوات وتفاصيل تتكون من العديد من العناصر الصغيرة التي تكون مهينة لمحاكاة CFD.
- غالبا ما تكون هذه الميزات ضرورية للتصنيع ، ولكنها يمكن أن تضيف تعقيدا غير ضروري للمحاكاة. ومن ثم فإن المسألة تتعلق فقط باختيار العناصر التي لها مصلحة في معالجة المشكلة.
-
منهج:
- لتوفير الوقت والموارد الحسابية ، نقوم بتقليل أجزاء النموذج الصغيرة جدا بحيث لا تؤثر على نتائج المحاكاة.
- بالنسبة للتجمعات الكبيرة ، نحتفظ فقط بالأجزاء المهمة من التصميم. هذا يساعد على تسريع عملية الحل.
- في بعض الحالات ، سنعيد إنشاء نسخة جديدة ومبسطة من تصميمك للتركيز على مجالات الدراسة الرئيسية.
-
الخطوات المختلفة لإصلاح هندسة نموذج 3D CFD:
- القضاء على الثغرات التي تمنع سد الفجوات. هذه هي بشكل عام الفجوات بين الغرف ، وثقوب الحفر ، وعناصر الأعمال الخشبية للمباني ، وما إلى ذلك.
- تقليل التجميعات الكبيرة جدا لتشمل المكونات الحيوية فقط.
- القضاء على الفجوات بين العناصر غير المرتبطة.
قم بإعداد نموذج 3D CFD لتحسين الشبكة
لدراسة حركة السوائل في التصميم ، يجب أن يكون هناك نمذجة لمنطقة التدفق. لا تتضمنه معظم الطرز ثلاثية الأبعاد افتراضيا ، لذا فإن الأمر يتعلق بجعلها تستخدم برنامجا يكمل نماذج 3D الأصلية. من ناحية أخرى ، يتعلق الأمر أيضا بإعداد النموذج لتحسين الشبكة في المناطق عالية المخاطر. وبالتالي ، نضيف أجزاء 3D ، غير مرئية في العروض وفي دراسات CFD ، والتي ستسمح لنا بتحسين الشبكة بدقة في مناطق التدفق التي سيتم التقاطها في دراسة CFD.
ما هو التشابك؟ (ولماذا هو مهم؟)
يعد إنشاء الشبكة (3D) خطوة مهمة في تحليل CFD ، نظرا لتأثيرها على الحل المحسوب. تعد الشبكة عالية الجودة ضرورية للحصول على نتيجة حسابية دقيقة وقوية وذات مغزى.
حسابات العناصر المحدودة
قبل تشغيل محاكاة CFD ، يتم تقسيم الهندسة إلى قطع صغيرة تسمى العناصر. زاوية كل عنصر هي عقدة. يتم الحساب في العقد. هذه العناصر والعقد تشكل الشبكة.
في النماذج ثلاثية الأبعاد ، تكون معظم العناصر رباعية السطوح: عنصر ثلاثي الجوانب من أربعة جوانب. في النماذج ثنائية الأبعاد ، تكون معظم العناصر مثلثات.
هيكل شبكي
يتم التمييز بين الشبكة المنظمة وغير المنظمة والمتعامدة والحرة. في شبكة 3D المنظمة ، يكون الحساب أسرع لأنه لا يتطلب تجميع مصفوفة اتصال. في شبكة غير منظمة ، هذا ليس هو الحال. ميزة هذا الأخير هو أنه يسمح لك بربط أي أشكال هندسية. من ناحية أخرى ، يمكن أن يؤدي إنشاء المصفوفة وتخزينها إلى إبطاء الحساب بشكل كبير. يستخدم هذا النوع من الشبكات للهندسة المعقدة ذات المنحنيات أو عدد كبير من العناصر.
تتطلب الأحجام الصلبة عناصر قليلة ، على عكس أحجام السوائل التي تتطلب صقلا دقيقا لأنها لا يمكن أن تنحرف عن هندسة متوازية السطوح. في الواقع ، بالنسبة لزوايا العناصر المشوهة للغاية ، هناك خطر من أن الحساب لن يكون قادرا على التقارب.
تصور تأثير قرار دراسة CFD
كثافة الشبكة
عندما يتعلق الأمر بكثافة الشبكة ، يجب إيجاد مفاضلة بين تكلفة وقت الحساب والدقة المطلوبة. ليست هناك حاجة لتكثيف الشبكة ، وبالتالي زيادة عدد التكرارات ، إذا كانت هناك دقة كافية مع عدد محدود من العناصر.
مبدأ التكيف شبكة
جودة الشبكة لها تأثير خطير على التقارب ودقة الحل وخاصة على وقت الحساب. تعتمد جودة الشبكة الجيدة على تقليل العناصر ذات “التشوهات” وعلى “الدقة” الجيدة في المناطق ذات التدرج القوي (الفجوة ، الطبقات الحدودية ، إعادة التدوير ، إلخ).
يتم تكييف الشبكة لتكون دقيقة قدر الإمكان في مناطق الدراسة الحرجة. هذا يجعل من الممكن مراعاة الظواهر العيانية (بناء الحجم) التي توجه الأنابيب الحالية عن طريق تأثير الفنتوري معالتحكم بشكل صحيح في الظواهر الهوائية الأصغر حجما (انتشار الهواء).
كيف يتم تعريف شروط حدود العقود مقابل الفروقات؟
الشروط الأولية
تمثل الظروف الأولية خصائص التدفق من حيث السرعة وموضع السطح الحر في بداية المحاكاة. إذا بدأ الحساب بقيم عشوائية ، يمكن أن تتباعد المحاكاة بسرعة. من أجل عدم الابتعاد كثيرا عن النتائج الواقعية وتحسين وقت الحساب ، تتم دراسة الشروط الأولية واختيارها قبل دراسة CFD.
شروط الحدود
دراسة الظروف الحدودية حاسمة في النموذج ، ويمكن تلخيص شروط الحدود وكذلك فرضيات المحاكاة. هذه هي الخطوة الأكثر حسما لنجاح الدراسة ، ويجب أن يكون وضع شروط الحدود المحددة للمشروع موضوع دراسة مفصلة في بداية المهمة.
طريقة الحل
اختيار نموذج الاضطراب
مفهوم نموذج الاضطراب خاص بميكانيكا الموائع. يجعل من الممكن فهرسة الهياكل المختلفة التي تتعايش في التدفق وإعطائها أهمية معينة داخل التدفق.
جعلت الدراسات المقارنة لنماذج الاضطراب التي أجرتها Combes [2000] من الممكن تعيين النموذج بمعادلتي نقل k-ε كنموذج أنسب للتدفقات ذات الأغراض العامة. إنه أحد النماذج الأكثر استخداما وعالية الأداء والأبسط والتحقق من صحتها على نطاق واسع. k هي طاقة الحركة المضطربة و ε هي معدل تبديد طاقة الحركة المضطربة. منطقيا ، سنستخدمه لمعظم عمليات محاكاة السوائل في علم الحرارة والهيدرولوجيا ، ولكن يمكننا اختيار نماذج اضطراب أخرى لعمليات محاكاة معينة.
طريقة الحساب
يتم دفع الحل العددي من خلال الخطية وتمييز مجموعة معادلات الحفظ ، الأمر الذي يتطلب التقسيم الفرعي للمجال الحسابي إلى عدد من الأحجام المحدودة غير المتجاورة (شبكة). يتمثل حل الدراسة في حل نظام المعادلات غير الخطية Navier-Stokes على خوادم الكمبيوتر المخصصة ل CFD.
تصور النتائج
ملخصات رسومية
عادة ما يكون تدفق السائل في الحجم معقدا ويتضمن العديد من عمليات إعادة الدوران منخفضة السرعة ، مما يجعل من الصعب تصوره على الخطة. نحن نقدم تقريرا عن الظواهر الأكثر لفتا للانتباه عن طريق لقطات / أقسام من المواقف وتفسيرات كاملة للغاية.
لدينا مجموعة واسعة من التمثيلات (الأنبوب الحالي ، حقول المتجهات ، السطح المتساوي ، إلخ) التي تسمح لنا بنسخ الظواهر الهوائية المحددة في الموجز الفني بشكل أفضل .
يتطلب تفسير النتائج إتقان برنامج تحليل CFD ولكن قبل كل شيء المهارات في الفيزياء ومعرفة المنتج الذي تم تحليله من أجل شرح الظواهر المختلفة بدقة.
ملخصات رسومية
وفقا لملاحظاتنا ، بالنسبة للعناصر الأكثر لفتا للانتباه ، يتم إنشاء مقاطع فيديو تعرض وجهات النظر المختلفة لنموذج CFD بطريقة ديناميكية. الموجز الفني الذي قد يشير إلى مقاطع الفيديو هذه لتسهيل القراءة. في الواقع ، يصعب فهم بعض الظواهر على الخريطة.
إيجابيات وسلبيات محاكاة العقود مقابل الفروقات
مزايا محاكاة CFD
- يمكن محاكاة النماذج بالكامل والسماح بالتحليل المتزامن لتأثير العديد من الظواهر
- توفر عمليات المحاكاة بيانات قياس لأي نقطة (على الشبكة)
- يمكن حفظ العديد من المعلمات التي لا يمكن الوصول إليها في التجارب ، ويمكن تأمين التصاميم.
- في بداية عملية التصميم ، يمكن محاكاة عدد كبير من النماذج الأولية من أجل جمع المعلومات بسرعة لتحسين النظام
- يمكن أن تساهم عمليات المحاكاة في فهم أفضل للمشكلة من أجل تطوير حلول تقنية ذات صلة
- يعني دمج محاكاة CFD في بروتوكولات التصميم الخاصة بك دمج فريق من الخبراء الذين سيكون لديهم منظور مختلف في البحث عن حل.
عيوب محاكاة CFD
- يمكن أن تحدث الأخطاء بسبب النماذج التي تحتوي على شروط حدودية بسيطة جدا أو خاطئة.
- عدم اليقين المحتمل بسبب عدم كفاية قيم الحساب لكل خلية وأخطاء الاستيفاء الناتجة
- يمكن أن يكون وقت الحساب للطرز الكبيرة طويلا
يتم تقليل هذه المشاكل بشكل كبير بفضل الخبرة المكتسبة في العديد من المشاريع من قبل مهندسي EOLIOS. من المهم إجراء هذا النوع من الدراسة مع فريق مؤهل.
ما هي تكلفة محاكاة العقود مقابل الفروقات؟
حسنا ، دعنا نواجه الأمر ، CFD ليست أرخص أداة هندسية (مقارنة بتطبيق CAD القياسي أو جدول البيانات) نظرا لتعقيدها ومتطلباتها (الخبرة والتراخيص وموارد الحوسبة).
من ناحية أخرى ، لا يمكن مقارنة النتائج التي يقدمها هذا النوع من الدراسة ومساهمتها في عملية التصميم أو حل المشكلات بتلك التي تم الحصول عليها باستخدام أدوات أبسط.
عادة ما يؤدي تقليل وقت التصميم وتوفير النماذج الأولية وتحسين العملية أو المنتج إلى تعويض تكلفة محاكاة العقود مقابل الفروقات.
نحن نقدم بروتوكولات مهمة تتكيف مع أي ميزانية.
إذا كنت تعتقد بعد قراءة هذا أن مشروعك يمكن أن يستفيد من أدوات CFD ، فلا تتردد في الاتصال بنا وسنقدم لك بروتوكول دراسة واضح ومفصل.
أمثلة على تطبيقات محاكاة العقود مقابل الفروقات
مثال على مشاريع محاكاة العقود مقابل الفروقات:
محاكاة الديناميكا الهوائية لظاهرة الديناميكا الهوائية لفوج من راكبي الدراجات الهوائية
محاكاة CFD للسحب: عملية حسابية متقدمة لتحسين الديناميكا الهوائية
تأثير الرياح على محطة الطاقة الشمسية
مرض الفيالقة وأبراج التبريد
معايير راحة المشاة ورسم الخرائط
تأثير السحب الحراري
انخفاض الضغط والمقاومة الهيدروليكية
دراسة الرياح الشديدة – محطة الطاقة الشمسية
محاكاة CFD: بديل لاختبار نفق الرياح
