ภาพรวม
Computational Fluid Dynamics, พลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (CFD) โดยทั่วไปคือการใช้คอมพิวเตอร์เพื่อแก้ปัญหากลศาสตร์ของไหลสิ่งนี้ตามชื่อแปลให้เห็นว่าระบบประมวลผลคอมพิวเตอร์ถูกนำมาใช้กับการแก้ปัญหาในการเคลื่อนที่ของของไหลเนื่องจากปัจจุบัน CFD ได้ถูกทำให้เป็นเรื่องง่ายต่อการนำมาใช้ผู้คนจึงสามารถเข้าถึงมันได้อย่างง่ายดายในบทความนี้ผมจะอธิบายถึงพื้นฐานทั่วๆไปของ CFD
ก่อนอื่นสิ่งที่ต้องอธิบายอย่างแรกเกี่ยวกับ CFD คือพลศาสตร์ของไหลซึ่งเป็นการศึกษาการไหลและพฤติกรรมของของไหลของไหลสามารถเป็นได้ทั้งสถานะของเหลวหรือก๊าซในมุมมองของผมนั้นผมสามารถสังเกตการเปลี่ยนแปลงของไหลได้ทุกที่ในชีวิตประจำวัน มันไม่มีทางหรอกที่คุณจะมองไม่เห็นสิ่งเหล่านี้ นับตั้งแต่วินาทีที่คุณแปรงฟัน, กาแฟยามเช้า, การเดินทางที่มีลมแรงในการทำงาน, ฝนตก, แม่น้ำที่ไหล, เรือที่กำลังแล่นและแม้แต่จรวดฯลฯ
และในเมื่อสิ่งต่างๆที่เกิดขึ้นนั้นตั้งคำถามให้กับผู้สังเกตุปรากฏการณ์นี้นักวิจัย, นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรจึงได้รับการสนับสนุนให้ศึกษาปรากฏการณ์และคุณสมบัติของของไหลตามความเป็นจริงผู้คนได้ศึกษาพลศาสตร์ของไหลมาหลายศตวรรษแล้วในอดีตการศึกษาเหล่านี้ส่วนใหญ่เป็นการวิเคราะห์หรือการทดลองการทดลองเป็นเรื่องที่ปกติและสนุกน่ะครับ จนกว่าคุณจะต้องทดลองกับสิ่งที่อันตรายเช่น การศึกษาไอเสียของจรวดหรือสิ่งที่แทบไม่มีความเป็นไปไม่ได้ตัวอย่างเช่ง การนำเครื่องบินไปทดลองในอุโมงค์ลม ซึ่งแน่นอนมันเป็นงานที่เหลือเชื่อ (ภาพเคลื่อนไหวบางส่วนของแบบจำลองที่ปรับสัดส่วนในอุโมงค์ลมหรือการปล่อยไอเสียของจรวด)
อูโมงลมทดศาสตร์พลศาสตร์การไหลขนาดใหญ่ (NASA Langley)
CFD และการวิเคราะห์
การอธิบายเกี่ยวกับกลศาสตร์ของไหลเชิงวิเคราะห์ไม่ใช่เรื่องง่ายน่ะครับด้วยความที่ระบบคอมพิวเตอร์ทุกวันนี้มีพลังการปรุมวลผลสูงและรวดเร็วการแก้ปัญหาของเหลวด้วยคอมพิวเตอร์กลายเป็นที่นิยมและมีราคาไม่แพง - เช่นในสาขาการศึกษาหลายแห่งและนั่นคือเหตุผลที่ผลได้ริเริ่มใช้โปรแกรม CFD ก่อนที่ผมจะอธิบายเพิ่มเติม ผมขอเตือนเล็กน้อยก่อนที่จะเข้าในส่วนเทคนิคที่ละเอียดผมจะปูความเข้าใจของคุณผู้อ่านไปเรื่อยๆดังนี้
ผมจะเริ่มพูดถึงสมการเชิงอนุพันธ์ที่ควบคุมการไหลของของไหลต่อไปผมจะอธิบายว่าทำไมมันเป็นไปไม่ได้จริงๆที่จะแก้ปัญหาสมการเหล่านี้โดยตรงและไปจนถึงความเป็นไปได้ที่จะแปลงสมการเหล่านี้เป็นรูปแบบที่เรียบง่ายกว่าที่คอมพิวเตอร์จะใช้ในการแก้ปัญหา
เหมือนกับทุกๆสาขาวิชาฟิสิกส์กลศาสตร์ของไหลนั้นถูกควบคุมโดยหลักการพื้นฐานไม่กี่อย่างซึ่งก็คือกฏการอนุรักษ์มวลกฏการอนุรักษ์โมเมนตัมและกฏการอนุรักษ์พลังงานการอนุรักษ์มวลคือสิ่งที่คุณอาจคุ้นเคย - มวลนั้นไม่สามารถสร้างหรือทำลายได้ - เพื่อให้เข้าใจถึงสมการได้ดียิ่งขึ้นลองนึงตัวอย่างของน้ำที่ไหลผ่านท่อการอนุรักษ์ของมวลจะสรุปว่าสิ่งที่มวลของของเหลวไหลเข้าไปนั้นจะต้องไหลออกมาเท่ากันศาสตร์นี้สามารถแสดงออกในสมการอินทิกรัล
ผมจะเริ่มพูดถึงสมการเชิงอนุพันธ์ที่ควบคุมการไหลของของไหลต่อไปผมจะอธิบายว่าทำไมมันเป็นไปไม่ได้จริงๆที่จะแก้ปัญหาสมการเหล่านี้โดยตรงและไปจนถึงความเป็นไปได้ที่จะแปลงสมการเหล่านี้เป็นรูปแบบที่เรียบง่ายกว่าที่คอมพิวเตอร์จะใช้ในการแก้ปัญหา
เหมือนกับทุกๆสาขาวิชาฟิสิกส์กลศาสตร์ของไหลนั้นถูกควบคุมโดยหลักการพื้นฐานไม่กี่อย่างซึ่งก็คือกฏการอนุรักษ์มวลกฏการอนุรักษ์โมเมนตัมและกฏการอนุรักษ์พลังงานการอนุรักษ์มวลคือสิ่งที่คุณอาจคุ้นเคย - มวลนั้นไม่สามารถสร้างหรือทำลายได้ - เพื่อให้เข้าใจถึงสมการได้ดียิ่งขึ้นลองนึงตัวอย่างของน้ำที่ไหลผ่านท่อการอนุรักษ์ของมวลจะสรุปว่าสิ่งที่มวลของของเหลวไหลเข้าไปนั้นจะต้องไหลออกมาเท่ากันศาสตร์นี้สามารถแสดงออกในสมการอินทิกรัล
ตอนนี้ลองนึกภาพถ้าคุณลดขนาดโดเมนที่คุณสนใจลงไปในวอลลุ่มควบคุมเล็กๆการอนุรักษ์มวลชนยังคงมีอยู่แต่ตอนนี้สมการเปลี่ยนเป็นรูปแบบที่ต่างกันการอนุรักษ์โมเมนตัมเป็นการแสดงออกของกฎข้อที่สองของนิวตันซึ่งระบุว่าอัตราการเปลี่ยนแปลงของโมเมนตัมนั้นเท่ากับแรง
ทีนี้แม้แต่สมการโมเมนตัมก็สามารถแสดงในรูปแบบอินทิกรัลที่คุณเห็นตรงนี้และก็มีฟอร์มาที่ต่างกันรูปแบบที่แตกต่างนั้นง่ายต่อการเข้าใจมากขึ้นเมื่อคุณเห็นมวลที่มีความหนาแน่นตรงนี้ซึ่งมีความสมดุลโดยกองกำลังทางด้านขวา - แรงกดดัน, แรงของร่างกายและแรงหนืดดังนั้นคุณจะเห็นรูปแบบที่แตกต่างของสมการโมเมนตัมเป็นการแสดงถึงกฎการเคลื่อนที่ข้อที่สองของนิวตันและเข้าใจง่าย
ตอนนี้ผมพูดคุยเกี่ยวกับการอนุรักษ์มวลและโมเมนตัมแต่ยังคงมีหลักการที่สามคือการอนุรักษ์พลังงานหลักการอนุรักษ์พลังงานมีลักษณะคล้ายกับสมการโมเมนตัมแต่ยังมีตัวแปรอุณหภูมิแยกต่างหากที่ใช้เฉพาะในสถานการณ์ที่มีการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและความหนาแน่นของของเหลวทั้งสมการมวลและโมเมนตัมประกอบด้วยสิ่งที่เรียกว่าสมการ NS ที่อธิบายการไหลของของไหลชนิดใดตอนนี้มีลักษณะบางอย่างของสมการเหล่านี้ที่คุณสามารถจดจำได้เพียงแค่มองไปที่พวกเขา
ทีนี้แม้แต่สมการโมเมนตัมก็สามารถแสดงในรูปแบบอินทิกรัลที่คุณเห็นตรงนี้และก็มีฟอร์มาที่ต่างกันรูปแบบที่แตกต่างนั้นง่ายต่อการเข้าใจมากขึ้นเมื่อคุณเห็นมวลที่มีความหนาแน่นตรงนี้ซึ่งมีความสมดุลโดยกองกำลังทางด้านขวา - แรงกดดัน, แรงของร่างกายและแรงหนืดดังนั้นคุณจะเห็นรูปแบบที่แตกต่างของสมการโมเมนตัมเป็นการแสดงถึงกฎการเคลื่อนที่ข้อที่สองของนิวตันและเข้าใจง่าย
ตอนนี้ผมพูดคุยเกี่ยวกับการอนุรักษ์มวลและโมเมนตัมแต่ยังคงมีหลักการที่สามคือการอนุรักษ์พลังงานหลักการอนุรักษ์พลังงานมีลักษณะคล้ายกับสมการโมเมนตัมแต่ยังมีตัวแปรอุณหภูมิแยกต่างหากที่ใช้เฉพาะในสถานการณ์ที่มีการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและความหนาแน่นของของเหลวทั้งสมการมวลและโมเมนตัมประกอบด้วยสิ่งที่เรียกว่าสมการ NS ที่อธิบายการไหลของของไหลชนิดใดตอนนี้มีลักษณะบางอย่างของสมการเหล่านี้ที่คุณสามารถจดจำได้เพียงแค่มองไปที่พวกเขา
ก่อนจะอธิบายเรื่องสมการเชิงอนุพันธ์ย่อยทั้งสองตอนนี้สมการอนุรักษ์โมเมนตัมคำทางด้านซ้ายสามารถเขียนใหม่ได้เห็นได้ชัดว่าคุณเห็นว่ามีสมการเชิงเส้นในสมการนี้ด้วยคุณลักษณะที่สำคัญอีกประการหนึ่งของสมการนี้คือทั้งสมการมวลและโมเมนตัมมีการเชื่อมโยงกันอย่างมากในการแก้ปัญหาการไหลของของเหลวใดๆคุณต้องใช้สมการทั้งสองและคุณไม่สามารถแก้ปัญหาได้เนื่องจากสมการ NS เป็น PDEs ที่มีการเชื่อมโยงกันสูงและแทบจะเป็นไปไม่ได้ที่จะหาวิธีแก้ปัญหาการวิเคราะห์และคุณต้องทำให้ปัญหาง่ายขึ้นมากนี่คือเหตุผลที่เราใช้: ในการแก้สมการเชิงอนุพันธ์บางส่วนคุณต้องการสิ่งที่เรียกว่าเป็นเงื่อนไขขอบเขตขอบเขตอาจเป็นจุดสิ้นสุดของโดเมนที่คุณกำลังแก้ไขปัญหาที่หรือพื้นผิวของร่างกายที่คุณต้องการคำนวณการไหลแต่สเตียร์ Navier ไม่ใช่ชุดสมการสามัญสำหรับปัญหา 3 มิติและชุดเงื่อนไขเริ่มต้นนักคณิตศาสตร์ยังไม่ได้พิสูจน์ว่ามีวิธีการแก้ปัญหาที่ราบรื่นสำหรับปัญหานี้
และนั่นคือที่มาของ CFD CFD ประกอบด้วยสามขั้นตอนหลักขั้นตอนแรกคือการแยกส่วนตามด้วยวิธีแก้ปัญหาของสมการที่แยกทิ้งเหล่านี้และสุดท้ายคือการประมวลผลภายหลังDiscretization เป็นกระบวนการแยกของเหลวปริมาณมากออกเป็นปริมาตรหรือองค์ประกอบที่เล็กลงนี่เป็นหนึ่งในขั้นตอนที่สำคัญที่สุดใน CFD และถ้าคุณถามผม - ขั้นตอนที่สำคัญที่สุดหาก discretization ของคุณหรือที่รู้จักกันว่า meshing ไม่ถูกต้องส่วนใหญ่จะให้ผลลัพธ์ที่ไม่ถูกต้องหรือแย่ลงไปกว่านั้น - มันจะไม่ส่งผลให้คุณเลยในภาษาคอมพิวเตอร์นี้เรียกว่าไฟล์ขยะ
โดยสรุปผมหวังว่าการอ่านบทความนี้อย่างน้อยจะให้ความกระจ่างแก่คุณและทำความเข้าใจกับสิ่งที่อยู่เบื้องหลัง CFD ในส่วนถัดไปเราจะมาดูความคล้ายคลึงกันของมันเพื่อทำความเข้าใจกับ Discretization
และนั่นคือที่มาของ CFD CFD ประกอบด้วยสามขั้นตอนหลักขั้นตอนแรกคือการแยกส่วนตามด้วยวิธีแก้ปัญหาของสมการที่แยกทิ้งเหล่านี้และสุดท้ายคือการประมวลผลภายหลังDiscretization เป็นกระบวนการแยกของเหลวปริมาณมากออกเป็นปริมาตรหรือองค์ประกอบที่เล็กลงนี่เป็นหนึ่งในขั้นตอนที่สำคัญที่สุดใน CFD และถ้าคุณถามผม - ขั้นตอนที่สำคัญที่สุดหาก discretization ของคุณหรือที่รู้จักกันว่า meshing ไม่ถูกต้องส่วนใหญ่จะให้ผลลัพธ์ที่ไม่ถูกต้องหรือแย่ลงไปกว่านั้น - มันจะไม่ส่งผลให้คุณเลยในภาษาคอมพิวเตอร์นี้เรียกว่าไฟล์ขยะ
โดยสรุปผมหวังว่าการอ่านบทความนี้อย่างน้อยจะให้ความกระจ่างแก่คุณและทำความเข้าใจกับสิ่งที่อยู่เบื้องหลัง CFD ในส่วนถัดไปเราจะมาดูความคล้ายคลึงกันของมันเพื่อทำความเข้าใจกับ Discretization
Credits
เจตน์ทีฆเสนีย์
CFD Engineering Manager - Cradle Consulting Thailand
ผู้เขียนมีประสบการณ์และความชำนาญในการวิจัยเกี่ยวกับเครื่องยนต์สันดาปและปฏิกิริยาทางเคมีที่เกี่ยวข้องและได้จบการศึกษาชั้นปริญญาโทจาก Drexel University (Graduate School of Engineering) วิทยานิพนธ์เกี่ยวกับ Advanced Engineering Simulation ในรัฐ Philadephia, สหรัฐอเมริกา
ผู้เขียนมีประสบการณ์และความชำนาญในการวิจัยเกี่ยวกับเครื่องยนต์สันดาปและปฏิกิริยาทางเคมีที่เกี่ยวข้องและได้จบการศึกษาชั้นปริญญาโทจาก Drexel University (Graduate School of Engineering) วิทยานิพนธ์เกี่ยวกับ Advanced Engineering Simulation ในรัฐ Philadephia, สหรัฐอเมริกา