دینامیک محاسباتی سیالات
شبیه‌سازی رایانه‌ای جریان هوای با سرعت بالا در اطراف یک شاتل فضایی
دینامیک محاسباتی سیّالات یا سی‌اِف‌دی ((Computational fluid dynamics (CFD) یکی از بزرگ‌ترین زمینه‌هایی‌ست که مکانیک قدیم را به علوم رایانه و توانمندی‌های نوین محاسباتی آن در نیمهٔ دوّم قرن بیستم و در سدهٔ جدید میلادی وصل می‌کند.
تاریخچه
سرگذشت پیدایش و گسترش دینامیک محاسباتی سیّالات را نمی‌توان جدای از تاریخ اختراع، رواج، و تکامل کامپیوتر‌های ارقامی نقل کرد. تا حدود انتهای جنگ جهانی دوٌم، بیشتر شیوه‌های مربوط به حلّ مسائل دینامیک سیالات از طبیعتی تحلیلی یا تجربی برخوردار بود. همچون تمامی نوآوری‌های برجستهٔ علمی، در این مورد هم اشاره به زمان دقیق آغاز دینامیک محاسباتی سیّالات نامیسر است. در اغلب موارد، نخستین کار بااهمیت در این رشته را به ریچاردسون نسبت میدهند، که در سال ۱۹۱۰ (میلادی) محاسبات مربوط به نحوهٔ پخش تنش (stress distribution) در یک سد ساخته‌شده از مصالح بنّایی را به انجام رسانید.
در این کار ریچاردسون از روشی تازه موسوم به رهاسازی (relaxation) برای حلّ معادلهٔ لاپلاس استفاده نمود. او در این شیوهٔ حلّ عددی، داده‌های فراهم‌آمده از مرحلهٔ پیشین تکرار (iteration) را برای تازه‌سازی تمامی مقادیر مجهول در گام جدید به کار می‌گرفت.
توضیحات
در این روش با تبدیل معادلات دیفرانسیل پاره‌ای حاکم بر سیالات به معادلات جبری امکان حل عددی این معادلات فراهم میشود. با تقسیم ناحیه مورد نظر برای تحلیل به المان‌های کوچک‌تر و اعمال شرایط مرزی برای گره‌های مرزی با اعمال تقریب‌هایی یک دستگاه معادلات خطی بدست می‌آید که با حل این دستگاه معادلات جبری، میدان سرعت، فشار و دما در ناحیه مورد نظر بدست می‌آید. با استفاده از نتایج بدست آمده از حل معادلات می‌توان برآیند نیروهای وارد بر سطوح، ضرایب برا و پسا و ضریب انتقال حرارت را محاسبه نمود.
در دینامیک محاسباتی سیّالات از روشها و الگوریتمهای مختلفی جهت رسیدن به جواب بهره میبرند، ولی در تمامی موارد، دامنه مساله را به تعداد زیادی اجزاء کوچک تقسیم می کنند و برای هر یک از این اجزاء مساله را حل میکنند. پس از رسم یک ۱۰۰ ضلعی منتظم مشاهده خواهیم نمود که شکل حاصل مشابه دایره است. با افزایش تعداد اضلاع این شباهت بیشتر خواهد شد. در حقیقت این پدیده در مبحث سی‌اِف‌دی نیز مفهوم خواهد داشت.
روشهای عددی مورد استفاده در سی‌اِف‌دی
روش المان‌های محدود
روش اجزاء محدود
(تغییر مسیر از روش المان‌های محدود)
روش اجزاء محدود یا روش المان‌های محدود (به انگلیسی: Finite Element Method) که به اختصار FEM نامیده میشود، روشی است تقریبی برای حل معادلات دیفرانسیل پاره‌ای. در این روش ابتدا با استفاده از توابع شکل، معادله دیفرانسیل پاره‌ای به معادله دیفرانسیل عادی کاهش می‌یابد. سپس این دسته از معادلات دیفرانسیل عادی به روشهایی مانند رونگه−کوتا و یا روش تفاضلات محدود حل می‌گردند.
نرم‌افزارهای FEM
ABAQUS
انسیس (Ansys)
Nastran
روش احجام محدود
روش تفاضلات محدود
روش تفاضلات محدود
روش تفاضلات محدود یکی از روشهای عددی برای حل تقریبی معادلات دیفرانسیل است. در این روش مشتق توابع با تفاضلات معادل آنها تقریب زده میشود. بطور مثال مشتق تابع f بر اساس تعریف به صورت زیر است:
که در روش تفاضلات محدود یک تقریب مناسب برای این تابع بصورت زیر خواهد بود:
روشهای طیفی
روشهای طیفی (Spectral methods) از جملهٔ پردقت‌ترین شیوه‌های عددی برای حل معادلات دیفرانسیل با مشتقات جزئی می‌باشد.
در میان این روشها روش احجام محدود دارای کاربرد بیشتری به خصوص در مدل سازی جریان های تراکم ناپذیر می باشد. بیشتر نرم افزار های تجاری در زمینه دینامیک محاسباتی سیّالات نیز بر مبنای این روش بسط و توسعه یافته اند.
کاربرد‌ها
اکنون روش دینامیک محاسباتی سیالات جای خود را در میان روشهای آزمایشگاهی و تحلیلی برای تحلیل مسائل سیالات و انتقال حرارت باز کرده‌است و استفاده از این روشها برای انجام تحلیل‌های مهندسی امری عادی شده‌است.
دینامیک محاسباتی سیالات بصورت گسترده در زمینه‌های مختلف صنعتی مرتبط با سیالات، انتقال حرارت و انتقال مواد به کمک سیال بکار گرفته میشود. از جمله این موارد می‌توان به صنایع خودروسازی، صنایع هوافضا، توربوماشین‌ها، صنایع هسته‌ای، صنایع نظامی، صنایع نفت و گاز و انرژی و بسیاری موارد گسترده صنعتی دیگر اشاره نمود که دانش دینامیک محاسباتی سیالات به عنوان گره گشای مسائل صنعتی مرتبط تبدیل شده است