نرم افزارهای CFD: ابزاری برای شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی

مقدمه

شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) یک روش پیشرفته و قدرتمند برای مطالعه و تحلیل رفتار جریان سیالات و انتقال حرارت در سیستم‌های مختلف صنعتی و علمی است. با بهره‌گیری از این ابزار، می‌توان مسائل پیچیده‌ای نظیر جریان‌های توربولانس، انتقال گرما، و واکنش‌های شیمیایی را شبیه‌سازی کرد. استفاده از CFD باعث می‌شود که طراحی و تحلیل سیستم‌های صنعتی دقیق‌تر، مقرون‌به‌صرفه‌تر و سریع‌تر انجام شود. از صنایع هوافضا گرفته تا خودروسازی، انرژی، و حتی مهندسی پزشکی، نرم افزارهای CFD توانسته‌اند به یکی از ابزارهای اساسی تبدیل شوند. در این مقاله به بررسی جامع نرم افزارهای CFD، کاربردهای آن‌ها در صنایع مختلف، مزایا و معایب استفاده از این فناوری و معیارهای انتخاب بهترین نرم‌افزار برای نیازهای گوناگون پرداخته می‌شود.

CFD چیست؟

CFD یا Computational Fluid Dynamics به معنای استفاده از روش‌های عددی و محاسبات کامپیوتری برای تحلیل و شبیه‌سازی جریان سیالات و انتقال حرارت است. این فناوری به کاربران امکان می‌دهد تا رفتار سیستم‌های پیچیده‌ای مانند جریان سیالات در لوله‌ها، احتراق در موتورهای احتراق داخلی، و حتی رفتار آئرودینامیکی هواپیماها را مطالعه کنند. CFD شامل سه مرحله اصلی است:

پیش‌پردازش: شامل تعریف هندسه، مش‌بندی و اعمال شرایط مرزی.
محاسبات عددی: استفاده از الگوریتم‌های پیشرفته برای حل معادلات جریان سیالات.
پس‌پردازش: تحلیل و تفسیر نتایج شبیه‌سازی.

CFD امکان بررسی رفتار سیستم‌ها در شرایط مختلف را فراهم کرده و به مهندسان کمک می‌کند تا تصمیمات بهتری بگیرند. این فناوری در صنایعی مانند هوافضا، انرژی، محیط‌زیست، پزشکی، و حتی صنایع غذایی به طور گسترده استفاده می‌شود.

نرم افزارهای محبوب CFD

نرم افزار های CFD به طور کلی به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند: نرم‌افزارهای تجاری و نرم‌افزارهای متن‌باز. هر کدام از این دسته‌ها ویژگی‌ها و مزایای خاص خود را دارند که بسته به نیاز کاربران انتخاب می‌شوند.

نرم افزارهای تجاری:

ANSYS Fluent:
- محبوب‌ترین نرم افزار CFD در جهان.
- قابلیت شبیه‌سازی جریان‌های چندفازی، واکنش‌های شیمیایی، و انتقال حرارت.
- دارای رابط کاربری قدرتمند و پشتیبانی از ابزارهای پیشرفته تحلیل.
STAR-CCM+:
- از محصولات شرکت Siemens.
- پشتیبانی از تحلیل‌های چندفیزیکی و بهینه‌سازی طراحی.
- قابلیت شبیه‌سازی جریان‌های توربولانت و تراکم‌پذیر.
COMSOL Multiphysics:
- مناسب برای تحلیل‌های چندفیزیکی پیشرفته.
- امکان یکپارچگی با ابزارهای دیگر و ایجاد شبیه‌سازی‌های چندمنظوره.

نرم افزار های متن‌ باز:

OpenFOAM:
- یکی از پیشرفته‌ترین و انعطاف‌پذیرترین نرم‌افزارهای متن‌باز CFD.
- مناسب برای توسعه‌دهندگان و محققان.
- جامعه کاربری گسترده و مستندات کامل.
SU2:
- طراحی شده برای شبیه‌سازی جریان‌های تراکم‌پذیر و تراکم‌ناپذیر.
- ابزار بهینه برای پروژه‌های تحقیقاتی و دانشگاهی.
Code_Saturne:
- طراحی شده توسط EDF برای کاربردهای صنعتی.
- انعطاف‌پذیری بالا برای شبیه‌سازی مسائل خاص.

کاربردهای CFD در صنایع مختلف

نرم افزارهای CFD در صنایع متنوعی کاربرد دارند. برخی از کاربردهای اصلی این فناوری عبارتند از:

صنعت هوافضا:
- شبیه‌سازی جریان هوا در اطراف بدنه هواپیماها و طراحی بهینه بال‌ها و دم‌ها.
- بررسی رفتار جریان در موتورها و توربین‌های جت.
خودروسازی:
- تحلیل جریان هوا در اطراف خودرو برای کاهش مقاومت و بهبود کارایی سوخت.
- شبیه‌سازی انتقال حرارت در سیستم‌های خنک‌کننده موتور.
صنایع انرژی:
- شبیه‌سازی جریان‌های سیال در توربین‌های بادی و آبی.
- طراحی سیستم‌های انتقال حرارت در نیروگاه‌های برق.
مهندسی پزشکی:
- شبیه‌سازی جریان خون در رگ‌ها و قلب.
- طراحی دستگاه‌های پزشکی مانند ونتیلاتورها و پمپ‌های خون.
محیط‌زیست:
- شبیه‌سازی انتشار آلاینده‌ها در هوا و آب.
- مدل‌سازی جریان‌های اقیانوسی و رودخانه‌ها.

مزایا و معایب استفاده از نرم افزارهای CFD

مزایا:

کاهش هزینه‌ها: جایگزینی آزمایش‌های فیزیکی با شبیه‌سازی‌های مجازی.
دقت بالا: ارائه تحلیل‌های دقیق از رفتار جریان سیالات.
انعطاف‌پذیری: قابلیت تنظیم مدل‌ها برای شرایط مختلف.
صرفه‌جویی در زمان: سرعت بالای ارائه نتایج نسبت به روش‌های آزمایشگاهی.

معایب:

پیچیدگی بالا: نیاز به دانش تخصصی برای استفاده از نرم‌افزارها.
هزینه‌های اولیه: قیمت بالای برخی از نرم‌افزارهای تجاری.
نیاز به قدرت محاسباتی: شبیه‌سازی‌های بزرگ به سیستم‌های کامپیوتری پیشرفته نیاز دارند.
محدودیت‌های مدل‌سازی: وابستگی به فرضیات و تقریبات عددی.

معیارهای انتخاب نرم‌افزار CFD

هنگام انتخاب یک نرم‌افزار مناسب برای CFD، موارد زیر را در نظر بگیرید:

نوع پروژه:
- نرم‌افزارهای خاصی برای صنایع مشخص بهینه شده‌اند.
سطح کاربری:
- نرم‌افزارهای با رابط کاربری ساده‌تر برای مبتدیان مناسب‌ترند.
هزینه:
- نرم‌افزارهای متن‌باز برای پروژه‌های کم‌هزینه مناسب‌تر هستند.
پشتیبانی و مستندات:
- وجود مستندات جامع و انجمن‌های کاربری فعال برای یادگیری و حل مشکلات ضروری است.
انعطاف‌پذیری:
- امکان سفارشی‌سازی برای نیازهای خاص پروژه.
قابلیت تحلیل چندفیزیکی:
- برای پروژه‌های پیچیده، نرم‌افزارهایی با قابلیت چندفیزیکی انتخاب مناسبی هستند.

جمع‌بندی

نرم افزارهای CFD یک ابزار ضروری برای مهندسان و محققان در دنیای امروز هستند. این فناوری امکان شبیه‌سازی دقیق رفتار سیالات را در شرایط پیچیده فراهم می‌کند و به بهینه‌سازی طراحی‌ها و کاهش هزینه‌ها کمک می‌کند. انتخاب نرم‌افزار مناسب بستگی به نیازها، سطح تجربه، و بودجه کاربران دارد. با پیشرفت سریع فناوری، انتظار می‌رود که نرم افزارهای CFD در آینده قابلیت‌های بیشتری ارائه دهند و در صنایع بیشتری به کار گرفته شوند. تسلط بر این ابزارها می‌تواند برای مهندسان و دانشمندان یک مزیت رقابتی بزرگ ایجاد کند.

لیست سیستم های مرکز اجاره ابررایانه HPC-Center.ir به همراه قیمت و مشخصات سخت افزاری :

رندرینگ:

کارت گرافیک	CPU Thread	RAM (GB)	حافظه (GB)	CPU-Speed	ماهیانه(تومان)	هفتگی(تومان)	روزانه(تومان)
گرافیک 3090 (24 گیگ)	56	96	250 Nvme	2.40- 3.30 GHz	10,500,000	3,500,000	550,000
گرافیک 3090 (24 گیگ)	56	64	250 Nvme	2.40- 3.30 GHz	9,600,000	3,200,000	500,000

محاسباتی:

شماره	CPU-Thread	RAM (GB)	حافظه (GB)	CPU-Speed	ماهیانه(تومان)	هفتگی	روزانه
1	16	4	300sas	2.40-2.70 GHz	510,000	170,000	40,000
2	16	12	300sas	2.40-2.70 GHz	820,000	273,333	50,000
3	16	24	292sas	2.40-2.70 GHz	990,000	330,000	50,000
4	24	32	600sas	2.40- 2.70 GHz	1,500,000	500,000	100,000
5	24	24	300sas	2.50- 2.90 GHz	1,440,000	480,000	100,000
6	24	24	292sas	2.50- 2.90 GHz	1,440,000	480,000	100,000
7	24	24	292sas	2.50- 2.90 GHz	1,440,000	480,000	100,000
8	24	24	300sas	2.50- 2.90 GHz	1,440,000	480,000	100,000
9	24	24	300sas	2.50- 2.90 GHz	1,440,000	480,000	100,000
10	24	24	300sas	2.50- 2.90 GHz	1,440,000	480,000	100,000
11	24	24	300sas	2.50- 2.90 GHz	1,440,000	480,000	100,000
12	24	24	300sas	2.50- 2.90 GHz	1,440,000	480,000	100,000
13	24	24	300sas	2.50- 2.90 GHz	1,440,000	480,000	100,000
14	24	24	600sas	2.50- 2.90 GHz	1,650,000	550,000	100,000
15	24	32	300sas	2.50- 2.90 GHz	1,590,000	530,000	100,000
16	24	32	600sas	2.50- 2.90 GHz	1,800,000	600,000	100,000
17	24	48	290sas	2.66-3.06 GHz	1,710,000	570,000	100,000
18	24	48	300sas	2.50- 2.90 GHz	1,710,000	570,000	100,000
19	24	48	300sas	2.50- 2.90 GHz	1,710,000	570,000	100,000
20	24	48	300sas	2.50- 2.90 GHz	1,710,000	570,000	100,000
21	24	48	300sas	2.50- 2.90 GHz	1,710,000	570,000	100,000
22	24	48	300sas	2.50- 2.90 GHz	1,710,000	570,000	100,000
23	24	48	300sas	2.50- 2.90 GHz	1,710,000	570,000	100,000
24	24	64	300sas	2.50- 2.90 GHz	1,890,000	630,000	100,000
25	24	24	300sas	2.66-3.06 GHz	1,500,000	500,000	100,000
26	24	24	300sas	2.66-3.06 GHz	1,500,000	500,000	100,000
27	24	24	300sas	2.66-3.06 GHz	1,500,000	500,000	100,000
28	24	24	300sas	2.66-3.06 GHz	1,500,000	500,000	100,000
29	24	24	300sas	2.66-3.06 GHz	1,500,000	500,000	100,000
30	24	24	300sas	2.66-3.06 GHz	1,500,000	500,000	100,000
31	24	24	300sas	2.66-3.06 GHz	1,500,000	500,000	100,000
32	24	24	300sas	2.66-3.06 GHz	1,500,000	500,000	100,000
33	24	28	300sas	2.66-3.06 GHz	1,500,000	500,000	100,000
34	24	48	300sas	2.66-3.06 GHz	1,710,000	570,000	100,000
35	24	48	300sas	2.66-3.06 GHz	1,710,000	570,000	100,000
36	24	48	300sas	2.66-3.06 GHz	1,710,000	570,000	100,000
37	24	48	300sas	2.66-3.06 GHz	1,710,000	570,000	100,000
38	24	48	300sas	2.66-3.06 GHz	1,710,000	570,000	100,000
39	24	48	300sas	2.66-3.06 GHz	1,710,000	570,000	100,000
40	24	48	300sas	2.66-3.06 GHz	1,710,000	570,000	100,000
41	24	48	460 sas	2.66-3.06 GHz	1,800,000	600,000	100,000
42	24	48	600sas	2.66-3.06 GHz	2,000,000	666,667	100,000
43	24	64	292sas	2.66-3.06 GHz	1,890,000	630,000	100,000
44	24	64	300sas	2.66-3.06 GHz	1,890,000	630,000	100,000
45	24	64	300sas+300	2.66-3.06 GHz	2,100,000	700,000	100,000
46	24	64	300sas	2.80- 3.20 GHz	1,890,000	630,000	100,000
47	24	24	300sas	2.93-3.33 GHz	1,650,000	550,000	100,000
48	24	24	300sas	2.93-3.33 GHz	1,650,000	550,000	100,000
49	24	24	292sas	2.93- 3.33 GHz	1,650,000	550,000	100,000
50	24	32	300sas	2.93-3.33 GHz	1,800,000	600,000	100,000
51	24	32	300sas	2.93-3.33 GHz	1,800,000	600,000	100,000
52	24	48	290sas	2.93-3.33 GHz	1,950,000	650,000	100,000
53	24	48	300sas	2.93-3.33 GHz	1,950,000	650,000	100,000
54	24	48	300sas	2.93-3.33 GHz	1,950,000	650,000	100,000
55	24	48	300sas	2.93-3.33 GHz	1,950,000	650,000	100,000
56	24	48	300sas	2.93-3.33 GHz	1,950,000	650,000	100,000
57	24	48	300sas	2.93-3.33 GHz	1,950,000	650,000	110,000
58	24	64	300sas	2.93-3.33 GHz	2,100,000	700,000	100,000
59	24	64	300sas	2.93-3.33 GHz	2,100,000	700,000	100,000
64	24	64	300sas	2.93-3.33 GHz	2,100,000	700,000	100,000
60	24	64	592sas	2.93-3.33 GHz	2,250,000	750,000	100,000
61	24	64	292sas+300	2.93-3.33 GHz	2,250,000	750,000	110,000
62	24	64	584sas	2.93-3.33 GHz	2,250,000	750,000	100,000
63	24	128	300sas	2.93-3.33 GHz	2,700,000	900,000	130,000
65	24	32	300sas	3.06- 3.46 GHz	1,950,000	650,000	100,000
66	24	32	300sas	3.06- 3.46 GHz	1,950,000	650,000	100,000
67	24	48	300sas	3.06- 3.46 GHz	1,950,000	650,000	100,000
68	24	64	292sas	3.06- 3.46 GHz	2,100,000	700,000	120,000
69	24	128	300sas	3.06- 3.46 GHz	2,700,000	900,000	160,000
70	24	48	240ssd	3.36- 3.60 GHz	2,100,000	700,000	120,000
71	24	64	600sas	3.36- 3.60 GHz	2,100,000	700,000	120,000
72	24	64+56	500sas	3.36- 3.60 GHz	2,400,000	800,000	130,000
73	24	256	440sas	3.46-3.73 GHz	4,990,000	1,663,333	130,000
74	24	48	900sas	3.46-3.73 GHz	2,250,000	750,000	130,000
75	32	32	1.2T sas	2.60- 3.40 GHz	3,000,000	1,000,000	130,000
76	40	32	300sas	1.70- 2.10 GHz	2,100,000	700,000	200,000
77	40	32	900sas	3.00- 3.60 GHz	3,600,000	1,200,000	200,000
78	40	128	240ssd+900sas	3.00- 3.60 GHz	5,300,000	1,766,667	200,000
79	40	64	584sas	3.00- 3.60 GHz	4,050,000	1,350,000	200,000
80	40	64	584sas	3.00- 3.60 GHz	4,050,000	1,350,000	200,000
81	40	64	240ssd+300 sas	3.00- 3.60 GHz	4,100,000	1,366,667	200,000
82	40	64	900sas	3.00- 3.60 GHz	4,350,000	1,450,000	200,000
83	40	64	900sas	3.00- 3.60 GHz	4,350,000	1,450,000	200,000
84	40	96	900sas	3.00- 3.60 GHz	4,500,000	1,500,000	250,000
85	40	128	240ssd	3.00- 3.60 GHz	4,650,000	1,550,000	250,000
86	40	128	584sas	3.00- 3.60 GHz	4,800,000	1,600,000	250,000
87	48	64	584sas	2.40- 3.20 GHz	4,500,000	1,500,000	300,000
88	48	32	240ssd	2.50- 2.90 GHz	3,900,000	1,300,000	300,000
89	48	32	292sas	2.50- 2.90 GHz	3,900,000	1,300,000	300,000
90	48	48	900sas	2.50- 2.90 GHz	4,350,000	1,450,000	300,000
91	48	64	600sas	2.50- 2.90 GHz	4,650,000	1,550,000	300,000
92	48	96	900sas	2.50- 2.90 GHz	5,100,000	1,700,000	300,000
93	48	256	240ssd+1.8T	2.50- 2.90 GHz	7,750,000	2,583,333	300,000
94	48	64	300sas	2.70- 3.50 GHz	4,750,000	1,583,333	300,000
95	48	64	240ssd	2.70- 3.50 GHz	4,500,000	1,500,000	300,000
96	48	64	240ssd	2.70- 3.50 GHz	4,650,000	1,550,000	300,000
97	48	64	584sas	2.70- 3.50 GHz	4,800,000	1,600,000	300,000
98	48	64	900sas	2.70- 3.50 GHz	4,950,000	1,650,000	300,000
99	48	128	300sas	2.70- 3.50 GHz	5,200,000	1,733,333	300,000
100	48	128	600sas+1.8T	2.70- 3.50 GHz	6,300,000	2,100,000	300,000
101	48	96	900sas	2.70- 3.50 GHz	5,250,000	1,750,000	350,000
102	48	128	300sas+1.8T	2.70- 3.50 GHz	6,300,000	2,100,000	400,000
103	48	128	300sas	2.70- 3.50 GHz	5,400,000	1,800,000	400,000
104	48	128	600sas	2.70- 3.50 GHz	5,550,000	1,850,000	400,000
105	48	128	600sas	2.70- 3.50 GHz	5,550,000	1,850,000	400,000
106	48	128	900sas	2.70- 3.50 GHz	5,400,000	1,800,000	400,000
107	48	128	900sas	2.70- 3.50 GHz	5,400,000	1,800,000	400,000
108	48	64	300sas	2.50- 3.30 GHz	4,500,000	1,500,000	400,000
109	56	64	120ssd	2.40- 3.30 GHz	4,500,000	1,500,000	400,000
110	56	64	120ssd	2.40- 3.30 GHz	4,650,000	1,550,000	400,000
111	56	64	300sas	2.40- 3.30 GHz	4,650,000	1,550,000	400,000
	56	64	300sas	2.40- 3.30 GHz	4,650,000	1,550,000	400,000
112	56	64	300sas+1.8T	2.40- 3.30 GHz	5,850,000	1,950,000	400,000
113	56	64	600sas	2.40- 3.30 GHz	4,800,000	1,600,000	400,000
114	56	64	600sas	2.40- 3.30 GHz	4,800,000	1,600,000	400,000
115	56	64	900sas	2.40- 3.30 GHz	4,950,000	1,650,000	400,000
116	56	64	900sas	2.40- 3.30 GHz	4,950,000	1,650,000	400,000
117	56	64	900sas	2.40- 3.30 GHz	4,950,000	1,650,000	400,000
118	56	64	900sas	2.40- 3.30 GHz	4,950,000	1,650,000	400,000
119	56	64	600sas+1.8T	2.40- 3.30 GHz	6,000,000	2,000,000	400,000
120	56	128	600sas	2.40- 3.30 GHz	5,700,000	1,900,000	400,000
121	72	64	250 Nvme	2.30- 3.60 GHz	7,200,000	2,400,000	500,000
122	72	64	900sas	2.30- 3.60 GHz	7,200,000	2,400,000	500,000
123	80	128	600sas	2.00- 2.20 GHz	4,800,000	1,600,000	500,000
124	88	96	600sas	2.20- 3.60 GHz	10,000,000	3,300,000	600,000
125	120	256	900sas	2.80- 3.40 GHz	10,500,000	3,500,000	600,000
126	176	256	900sas	2.20- 3.30 GHz	16,500,000	5,500,000	900,000