Akışkanlar mekaniğinin bir dalı olan CFD (Computational Fluid Dynamics), diğer adıyla HAD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) olarak da bilinir. CFD analizi, 3 boyutlu modeller oluşturmak amacıyla matematiksel, istatistiksel ve algoritmik hesaplamalar yaparak akışkanların ve gazların davranışlarını analiz eder. Bilgisayar temelli mühendislik çözümleri getirirken; akışkanların ve gazların kontrolü, üretimle ilgili tasarım optimizasyonu ve kaynakların verimli kullanımı gibi kolaylıklar sunar.
Cadem Digital olarak, CFD analizi başlığı altında; “Akışkanlar dinamiği teorisi nedir?” veya “CFD nedir?” gibi sorulara cevap vermeye çalışılırken, hesaplamalı akışkanlar dinamiğinin gelişimini ve kullanım alanlarını ele alacağız. Böylece CFD’nin önemi, analizin ne işe yaradığı ve analiz süreçleri hakkında sizleri aydınlatacağız.
Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiğinin Gelişimi
Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD)’nin tarihsel süreci 20. Yüzyıl başlarına kadar geriye gider. 1920’li yıllarda sayısal analiz çalışmaları başlamış ve CFD analizin temelleri atılmıştır. 1950’li yıllarda ise analizin temelini oluşturan bazı sayısal yöntemler ortaya çıkarılmıştır (Silindir çevresindeki akış için ilk sayısal çözüm geliştirilmesi).
1960’lı ve 70’lı yıllarda hesaplamalı akışkanlar dinamiği algoritması bulunmuştur (PIC, MAC, ALE ve GENMIX uygulamaları). CAD tasarım uygulamaları geliştikçe 1980’li yıllarda gerçek yaşamda karşılığı olan sistemler ortaya çıkmıştır. Sektörlere özel yazılımlar geliştirilirken hava dinamiğiyle ilgili çözümlerin uygulamaları üzerinde çalışılmıştır. 1990’lı yıllarda endüstriyel uygulamalar sayesinde hem genel hem de özel amaçlı yazılımlar, CFD analizini piyasada yaygın hale getirir. 2000’li yıllarda ise bilgisayar destekli tasarım sistemleri sayesinde her sektörde kullanılmaya başlar.
CFD Neden Önemlidir?
Akışkanlar mekaniğiyle ilgili problemlerin analizi ve çözümlenmesi için CFD analizi, istatistiksel ve sayısal yöntemler ile algoritmalar kullanır. Sıvıların ve gazların katı yüzeylerle etkileşimini yazılımlar yardımıyla simüle eder. Analiz sürecinde, gazın ve akışkanın davranışının hızlı ve doğru tespit edilmesi gerekir. Analitik yöntemlerin yetersiz kaldığı ve hesaplayamadığı karmaşık yapılarda; akış hızı, ısının transferi, basınç kaybı gibi verilerin sayısal olarak belirlenmesi, tasarım ve üretim açısından kaynak ve zaman tasarrufu sağlar.
Karmaşık gaz ve akışkan davranışlarının simüle edilmesi sonucu geleneksel yöntemlerin ötesinde bilgi analiz yaparak; hızlı, güvenli, tasarruflu ve konforlu çözümler sunar. Akışkanlar mekaniği sistemlerinin klasik uygulamalarında; basit geometrik şekillerin incelendiği düz levhalar veya dairesel kesitli borular yer alır. Karmaşık sorunların çoğu ise hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizi ile çözülebilir. Akış dinamiği, akış şartları, akışın bölgesi gibi parametreler, diferansiyel denklemlerle simüle edilerek analiz sonuçlarına ulaşılır.
Geleneksel akışkanlar dinamiği çözümlemeleri CFD çözümlemelerinden farklıdır. Bilgisayar destekli CFD analizi, bazı sayısal yöntemler ve matematiksel algoritmalar kullanarak, akışkanlıkla ilgili davranışların kompleks sistemlerde simülasyonunu yapar. Geleneksel akışkanlık dinamiği bakış açısı çoğunlukla basite indirgenen senaryolar için analitik çözümler önerir. CFD ise çalışma alanını sonlu parçalara ayırarak her birimi ayrı ayrı sayısal olarak analiz eder. Akışkanlık değişimi, ısı transferi, türbülans ve basınç değişimi gibi değişkenlerin izlenmesini kolaylaştırır. Ölçümlerde ve analizlerde, daha hassas ve daha doğru sonuçlara ulaşırken uygulama esnekliği ve detaylı bir bakış açısına ulaşır.
CFD Analizi Ne İşe Yarar?
Gazların ve akışkanların kullanıldığı sistemlerde CFD analizi, sorunların erken tespit edilmesini sağlar. Kontrol ve test üniteleriyle olası sorunları önceden haber verir, mevcut sorunlar için alternatifler sunar. Tasarım süreçleri için öneriler getirir ve prototip imalatı ile kolaylıklar sağlar. CFD analizi sonuçları, Simülasyon Tabanlı Ürün Tasarım sürecinde; ürünle ilgili sorunların bilgisayar destekli çözülerek simüle edilmesinde ve ürün performansını artırılmasında faydalı olur.
CFD, gazların ve akışkanların anlık olarak; hız, sıcaklık ve basınç bilgilerini verir. Bilgilerin dağılımını yaparken birbiriyle karşılaştırmasını yapar. Böylece fazlı akışlar, yoğunluk değişimli akışkanlar, sıcaklık transferi gibi sistemi etkileyen verileri sunar. Hesaplamalı akışkan dinamiği; tasarım analiz çalışmalarında ve benzetim tabanlı tasarımlarda tercih edilir. Deney tabanlı akışkan dinamiğine kıyasla hızlıdır ve maliyet etkinliği fazladır. Bu sayede deneyde ölçüm imkânı olmayan veya gözlenemeyen ayrıntılar sunar. Deney yapılamayacak ortamlarda fiziksel modelleme şansı yaratır.
CFD Analizi Süreci
Günümüzde CFD analizi süreci temel olarak 3 aşamadan oluşur. Bunlar ön işlem, çözüm ve analiz ya da son işlem olarak özetlenebilir. Ön işlem aşaması, incelemesi yapılacak sorunun uygulanacak çözüm yöntemi doğrultusundaki çalışmalarını kapsar ve bazı durumlarda tüm çözüm yöntemlerini ele alır. Bunlar:
- – Model geometrisinin yapılandırılması,
- – Sorunun etki alanının belirlenmesi,
- – 3 boyutlu uygulamaların alt yapısının oluşturulması,
- – Ağ yapısının (mesh) ortaya çıkarılması
- – Sınır şartlarının tespit edilmesi işlemleridir.
Ağ yapısı(mesh); etki alanında yer alan alt hesap hacimlerinin veya alanlarının oluşturulmasıyla meydana gelir. Ayrıca matematiksel çözümlerin ilgili alanlardaki düğüm noktaları için ayrı ayrı hesaplanmasıyla ulaşılan verilerin analiz edilmesi sonucunda bütün alan için çözümler geliştirmeye yarar.
Çözüm aşamasında, sorunun biçimine bağlı olmak üzere analiz ve çözüm tipine göre hesaplama yapılır. Sayısal çözümleme de birkaç ara aşamadan oluşur. İlk aşama modelleme amacının belirlenmesidir. İkinci ara aşama sayısal çözüm modelinin tespit edilmesidir. Üçüncü ara aşamada fiziksel model seçimi tamamlanır. Son ara aşamada ise çözüm yöntemi seçimi yapılır.
Son işlem aşamasında; çözümde ulaşılan sonuçlar değerlendirilir. Bu aşamaların sonrasında gerektiği durumlarda deneysel doğrulama aşaması yer alır. Elde bulunan datanın, yapılan deneyin sonuçlarıyla karşılaştırılması ile ulaşılan sonuçların hassasiyeti ve doğruluğu değerlendirilir. CFD analizi ürün yaşam döngüsü sürecinde kullanılan bir uygulamadır. Cadem Digital, PLM danışmanlığı hizmeti ile ürün yaşam döngüsü sürecinde SIMULIA’dan destek alarak verimli CFD uygulamaları sunar.
CFD Hangi Alanlarda Kullanılır?
Hesaplamalı akışkan dinamiği; gaz ve akışkan hesaplamasının ve tasarımın öngörüldüğü uygulamalarda kullanılır. Ayrıca ayrıntılı analiz gereksiniminde, doğa olaylarında, güvenlikle ilgili uygulamalarda, simülasyon tabanlı tasarım çalışmalarında da CFD’den yararlanılabilir. Deneysel akışkan dinamiğinin maliyet ve zaman konusunda yetersiz kaldığı durumlarda, tam ölçek benzetimlerinde kullanım alanları da sunar.
Savunma sanayi ve denizcilik sektörü, CFD analizi örnekleri için en yaygın kullanım alanlarıdır. Denizcilik sektöründeki kullanımında;
- – Seyir performansı,
- – Manevra simülasyonu,
- – Gemi direnç hesabı,
- – Üst yapı aerodinamik hesapları,
- – Güverte ve karinada hava ve su akışı analizi,
- – Pervane hesapları,
- – Kavitasyon,
- – Gemi içi yangın ve güvenlik sistemleri,
- – Havalandırma ve iklimlendirme şartları sıralanabilir.
Diğer bir kullanım alanı da inşaatlar ve yapılardır. Gaz ve sıvı akışını düzenleyerek, aynı zamanda ısı transferiyle ilgili analizleri simüle ederek bina tasarımı uygulamalarını yaygınlaştırır. Yapının enerji performansını, havalandırma modellemesini, yangın sistemlerini, rüzgâr yükü analizini, termal şartlarının standartlaşmasını, HVAC sistemleri optimizasyonunu ve hava kalitesi değerlendirmesini etkiler. Böylece mimar ve mühendislere yapı performansını artırma imkânları sağlar.
Otomotiv sanayinden yangın kontrol ünitelerine, havacılık sektöründen jet ve turbomakinalara, uzay sanayinden sulama sistemlerine kadar birçok endüstri dalında; akışkanlar mekaniğinden yararlanılır. Özellikle ısı transferi ve termodinamik uygulamalarında kullanılır. Ayrıca kimyasal süreçler; ısıtma, soğutma, havalandırma sistemleri, biyomedikal çözümler ve mekanik uygulamalar gibi özel kullanım alanları vardır. Özellikle mühendislik uygulamalarında CFD’den yararlanılabilir. Bu süreçte Cadem Digital, Dassault Systèmes’in SIMULIA yazılımı ile CFD analizleri de dâhil olmak üzere geniş bir yelpazede mühendislik simülasyonları için güçlü bir çözüm sunar. Siz de hizmetlerimizden yararlanmak için bizimle iletişime geçebilirsiniz.
Önceki yazımıza https://cademdigital.com.tr/uretim-yonetim-sistemi-mes-nedir/ linkinden ulaşabilirsiniz.