شبیه سازی CFD در سیستم های تهویه

ساختمان مدرن امروزی، نیاز به طراحی دقیق تر و بهینه سیستم های تهویه دارند.

در سال های دور، با استفاده از روابط نیمه تحلیلی و تجربی، ساختار و جزییات سیستم های تهویه مطبوع، تعیین می گردید. از طرفی با در نظر گرفتن مقادیر قابل توجهی حاشیه های اطمینان، از عملکرد صحیح سیستم در شرایط مختلف، اطمینان حاصل می گردید. با گذشت زمان و پیشرفت دانش طراحی و شبیه سازی و همچنین سطح مورد نیاز از آرامش و امنیت در ساختمان های مدرن، ضرورت در نظر گرفتن جزییات بیشتری از طرح در شرایط طراحی و بهره برداری، مطرح گردید. به طور مثال، ممکن است در یک ساختمان دارای آتریوم ( تالار مرکزی- پاسازهای طبقاتی با تالار مشترک مرکزی)، ممکن است طراحی اولیه، تنها بر اساس احجام فضاها و دماهای بیرونی و داخلی صورت پذیرد. حال آنکه در شرایط واقعی پدیده های جزیی تری مانند جریان های جابجایی طبیعی، موجب افزایش دما در طبقات بالاتر و کاهش دما در طبقات پایین تر شود به نحوی که در زمستان نیز، ناچار به استفاده از سیستم های سرمایشی در طبقات بالاتر باشیم. و یا در طراحی سیستم تهویه یک مرکز تجاری با ارتباطات فضایی پیچیده از طریق راه پله های برق، آسانسورها، تالارها و راهروها، هیچ گاه نمی توان با استفاده از روابط و معادلات پایه تهویه مطبوع، به یک طرح بهینه دست یافت و غالبا طراحان به ناچار با افزایش حاشیه های طراحی و بزرگ تر کردن ابعاد و احجام سیستم، از برقراری دمای مطلوب در تمامی فضاها، اطمینان حاصل می کنند. در چنین شرایطی، به ناچار بخش های از ساختمان در دماهایی پایین تر یا بالاتر از مقدار مناسب قرار می گیرد که موجب هدررفت مقدار قابل توجهی انرژی در ساختمان می شود.

در چنین شرایطی، دانش مدرن و کارآمد دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) به کمک ما میاید تا با استفاده از معادلات پیچیده ناویراستوکس، تصویری دقیق و با جزییات بالا، از آنچه که در شرایط عملکردی یک سیستم تهویه مطبوع اتفاق میافتد، به ما نشان دهد. در حال حاضر، به ندرت سیستم های تهویه مطبوع در ساختمان های مدرن جهانی، بدون تحلیل های CFDطراحی و بهینه می شوند. با توجه به هزینه بالای انرژی و همچنین تجهیزات تهویه مطبوع، برای تمامی کارفرمایان و پیمانکاران، ضروری طرح های خود را بهینه و با جانمایی و ابعاد گذاری صحیح دریچه ها، در هزینه های ساخت و بهره برداری سیستم تهویه مطبوع، صرفه جویی نمایند.

در کنار آن، شبیه سازان CFD مستقل، می توانند به عنوان داوری بی طرف، تصویری دقیق و صحیح از شرایط عملکردی سیستم های تهویه مطبوع را برای کارفرما ایجاد کنند که در آن با مشخص بودن کلیه متغیرهای جریان، سرعت، فشار و دما و همچنین متغیرهای اضافی مانند میزان آسایش و رطوبت، از طراحی بهینه سیستم های مورد استفاده، اطمینان حاصل نمایند.

مقدمه ای بر دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)

دنیای اطراف ما، آکنده است از پدیده های مرتبط با سیالات ساکن و متحرک. آب نسبتا راکد در یک سد و هوای داخل یک اتاق در شرایط عدم حضور افراد و سیستم های تهویه، نمونه هایی از سیالات ساکن اند که برای تحلیل آنها، نیاز به معادلات و محاسبات پیچیده ای نیست و تنها با استفاده از قوانین ساده استاتیک سیالات، میتوان آنها را تحلیل نمود. از طرفی، غالب سیال های پیرامون ما، دارای حرکت اند و معادلات حاکم بر آن ها، از قوانین دینامیک شاره ها تبعیت می کند. قانون اصلی حاکم بر دینامیک سیالات، همان قانون دوم نیوتن است که شتاب وارد بر یک جسم را حاصل تقسیم نیروی وارد بر آن و جرم جسم می داند. اما مساله اصلی آن است که در سیالات،یک جسم مشخص و مجزا وجود ندارد و به جای آن توده ای از سیال وجود دارد که مولکول های آن، دائما نسبت به یکدیگر تغییر وضعیت می دهند. با در نظر گرفتن دو نگاه اویلری و لاگرانژی، می توان رفتار کلی و جزیی سیال را آشکارسازی نمود. دیدگاه اویلری به دلیل نگاه نسبتا آماری به جریان، کاربردهای گسترده تر در تحلیل سیالات دارد و دیدگاه لاگرانژی به دلیل حجم بالای محاسبات، دارای کاربردهای گسترده ای نیست و با وجود پیشرفت توان محاسباتی رایانه ها، کاربرد آن محدود به تحلیل جریان های آزاد، جریان های هواشناسی و چندین کاربرد محدود می شود.

در نهایت، دیدگاه اویلری منجر به معادلات ناویر استوکس می شود که در صورت حل، می توانند جزییات بسیاری از پدیده های دینامیک سیالات ارائه دهند. با این وجود به دلیل حضور ترم های پیچیده مختلف، با مشتقات جزیی، عملا حل این معادلات با استفاده از روابط و روش های پایه ریاضیاتی ممکن نیست و تنها چندین حل از آن برای شرایط ساده سازی شده مانند جریان کوئت بین دو صفحه تخت و یا جریان پوازی درون لوله های دوار آرام وجود دارد.

برای حل این معادلات، ناچار به استفاده از روش های عددی هستیم که با تقسیم بندی دامنه حل به اجزا و احجام کوچک و استفاده از فرض خطی بودن معادلات در این سلول های کوچک، به حل معادلات پیچیده ناویر استوکس در دامنه حل می پردازد.

حل این معادلات، ما را به دنیای گسترده و پر از پیچیدگی های دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) وارد می کند که امروزه در بسیاری از صنایع و طراحی های مهندسی، کاربردهای فراوانی دارد. با استفاده از CFD، رفتار سیال در سلول های کوچک گسترده در دامنه حل، انتگرال گیری می شود و می توان تصاویر دارای جزییات فراوانی از سیال را مشاهده و ارزیابی نمود.

دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) دانشی است مربوط به سالیان دور گذشته و بیش از ۳۰ است که با ظهور کامپیوتورهای امروزی، رشدی چشمگیر داشته است. لیکن با توجه به حجم بالای پردازش اطلاعات در آن، توان محاسباتی رایانه ها، یکی از محدودیت های اصلی این علم بوده است. در سال های اخیر، توان محاسباتی کامپیوترها رشد چشمگیری داشته و علاوه بر آن با ظهورسیستم های محاسباتی مانند پردازش موازی (Parallel Processing) و پردازش گرافیکی (GPU)، توان محاسباتی رایانه ها به طرز چشمگیری، افزایش یافته است.

معادلات حاکم در CFD

همانطور که در بالا نیز ذکر گردید، معادلات پایه مورد استفاده در دینامیک سیالات محاسباتی، معادلات ناویر استوکس اند که در سه بعد حل می شوند. در ذیل، معادلات ناویر استوکس با فرض دانسیته ثابت و همچنین در نگاه تفاضل محدود، آمده است. در سایر مقالات سایت، دینامیک سیالات محاسباتی، به صورت پایه ای و تفصیلی، معرفی شده است و در اینجا، تنها مورد معرفی مختصری قرار می گیرد.

هدف اصلی از حل این معادلات، تعیین میدان سرعت (u,v,w) و فشار (p) است. در کنار آن، با استفاده از میدان سرعت، میتوان معادله انرژی را نیز حل نمود و از آن به توزیع حرارت و دما در دامنه حل دست یافت. حل این معادلات نیازمند روش های پیچیده و بعضا پیشرفته است که مبنای دانش CFD و ده ها کتاب و هزاران مقاله و گزارش فنی است.

در کنار آن، در بسیاری از پروژه های صنعتی و همچنین پروژه های تهویه مطبوع، ماهیت جریان آشفته است و ما نیازمند حل معادلات آشفتگی (توربولانس) نیز هستیم. مدل های آشفتگی نیز خود دنیایی متنوع و پیچیده از روش ها و روابط ریاضی اند که سعی می شود در بخش هایی از سایت، معرفی شوند.