فناوری دینامیک سیالات محاسباتی طراحان را قادر می سازد که بتوانند به اطلاعات مفیدی در خصوص ساختمان دست یابند، اطلاعاتی که معمولاً دستیابی به آنها در دنیای واقعی بسیار سخت و پیچیده خواهد بود. از جمله این اطلاعات می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:
- پیش‌بینی مشخصات عملیاتی تجهیزات مختلف
- ارزیابی و راستی‌آزمایی عملکرد
- به تصویر کشیدن جریان‌های هوا و سایر سیالات
- تحلیل پدیده‌های حرارتی و سیالاتی
بایستی در نظر داشت که در کاربردهای مهندسی، ساخت و ساز و معماری، ساخت ماکت و انجام آزمایش‌های مختلف بر روی آن چندان عملی نیست. علاوه بر این اعمال اصلاحات بر روی طراحی‌های موجود و رفع ایرادات آنها بسیار پرهزینه و مشکل خواهد بود.
اثر دینامیک سیالات محاسباتی یا اصطلاحا CFD (Computational Fluid Dynamics) مستقیماً با تفسیر نتایج شبیه‌سازی مرتبط می‌باشد. توانایی تشخیص و ارزیابی عملکرد، شناخت فرصت‌های پیشرفت و ایجاد بهبود در سامانه و تعیین مقدار نتایج و اثرات ایجاد اصلاحات بر روی سامانه بخش‌هایی از مرحله تفسیر نتایج شبیه‌سازی می‌باشند. به تصویر کشیدن نتایج شبیه‌سازی، فرصت‌های بهینه‌سازی مشخصات عملکردی طراحی، مانند شدت مصرف انرژی و تلفات حرارتی، مقدار آلاینده‌های موجود در هوا در بخش‌های مختلف، آسایش حرارتی افراد در قسمت‌های مختلف، شدت نور خورشید وارد شده به ساختمان، گردش مجدد هوای گرم و نامطبوع در فضاهای مختلف و سایر معیارها و پارامترهای عملکردی طراحی در کاربردهای مهندسی، ساخت و ساز و معماری را فراهم می‌کند.
اثر شبیه‌سازی CFD بر روی فرآیند طراحی
در گذشته شبیه‌سازی با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی صرفاً محدود به برخی تحلیل‌ها و پژوهش‌های خاص بود و توسط اساتید و محققین دوره دکتری برای مطالعات خاص مورد استفاده قرار می‌گرفت. اما در حال حاضر با توجه به پیشرفت‌های بدست آمده در حوزه سخت‌افزار‌ها و نرم‌افزارهای کامپیوتری، این تکنولوژی را کاربردی‌تر کرده است.
استفاده و بهره‌مندی از شبیه‌های CFD در مراحل ابتدایی فرآیند طراحی اجازه اصلاح کردن پتانسیل بروز چالش‌های عملکردی را فراهم ساخته و همچنین دوباره‌کاری‌های هزینه‌بر و یا اعمال اصلاحات بر روی طراحی‌های نهایی را حذف می‌کند. این موضوع در صنعت ساخت و ساز، که در بسیاری از موارد مانند ساختمان‌سازی، به علت پیچیدگی‌ها و ابعاد نسبتاً بزرگ، امکان ساخت ماکت و انجام آزمایشات مختلف بر روی آن چندان کاربردی و عملی نیست، از اهمیت بالاتری برخوردار است.
سیکل سنتی طراحی:
در فرآیند سنتی طراحی، زمانی که عملکرد سامانه با مشخصات پیش‌بینی شده تطابق نداشت، مشاوران حوزه شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی به پروژه وارد می‌شدند. در شکل زیر در مرحله 7 به این امر اشاره شده است. در نتیجه با استفاده از CFD ریشه بروز چالش‌های مختلف مشخص می‌شود اما ابزار رفع چالش‌های مختلف هزینه‌بر بوده و منجر به اشغال شدن بخشی از فضای مشتری نهایی می‌گردد. در سیکل سنتی طراحی از ابزار CFD بهره برده نمی‌شود و این امر ممکن است منجر به بروز مسائل و چالش‌هایی در طول فرآیند ساخت و یا در فاز ابتدایی شروع به کار شود. این مسائل در نهایت سبب انجام دوباره‌کاری‌های هزینه‌بر، بروز تأخیر در اتمام پروژه و از کار افتادن مقطعی برخی از سامانه‌ها در زمان بهره‌برداری ساختمان می‌شوند.
فرآیند طراحی و ساخت سنتی بدون در نظر گرفتن شبیه‌سازی CFD
- شروع
- تصور و ایجاد طرح‌های ادراکی (کانسپت)
- انجام طراحی و کشیدن نقشه‌های اولیه
- انجام کارهای مهندسی بر روی طرح‌های اولیه
- ارائه نقشه‌ها و طرح‌های نهایی
- ساخت و ساز طرح‌های ارائه شده و انجام آزمون‌های نهایی
- بروز شکست قسمتی از پروژه و در نتیجه نیاز به دوباره‌کاری و اعمال اصلاحات
سیکل مدرن طراحی (استفاده از CFD همزمان با انجام کارهای مهندسی)
بر خلاف فرآیند سنتی طراحی، زمانی که از CFD در مراحل ابتدایی سیکل طراحی استفاده شود، می‌توان پتانسیل‌های بروز چالش‌های مختلف را پیش از انجام مرحله ساخت و ساز بررسی و رفع نمود. فرآیند طراحی در این روش به ترتیب زیر است:
- شروع
- تصور و ایجاد طرح‌های ادراکی (کانسپت)
- انجام طراحی و کشیدن نقشه‌های اولیه
- انجام کارهای مهندسی بر روی طرح‌های اولیه و شبیه‌سازی CFD طرح‌های مهندسی شده
- ارائه نقشه‌ها و طرح‌های نهایی
- ساخت و ساز طرح‌های ارائه شده و انجام آزمون‌های نهایی
- تطابق نتایج با مشخصات در نظر گرفته شده و موفقیت در آزمون‌های مختلف
اثر شبیه‌سازی با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی در حوزه‌های مختلف ساخت و ساز
الف) مدیریت جریان هوا:
نحوه کنترل و مدیریت جریان هوا یکی از بخش‌های مهم فرآیند طراحی مهندسی در حوزه ساخت و ساز است که مستقیماً بر روی عملکرد و مصرف انرژی طرح اثر میگذارد. اگر جریان هوای سرد ورودی به اتاق به صورت مستقیم بر روی افراد وزیده شود، منجر به بروز وضعیت ناخوشایند و از بین رفتن آسایش حرارتی ساکنین می‌گردد. همچنین اگر جریان هوای گرم خروجی از ماشین‌آلات و مراکز داده (Data Center) مجدداً از طریق ورودی‌های هوای سرد، به منظور خنک‌سازی وارد تجهیز شود و اصطلاحاً گردش مجدد پیدا کند، عملکرد سرمایش سامانه را تحت تأثیر قرار داده و آن را کاهش می‌دهند. به تصویر کشیدن نتایج شبیه‌سازی عددی، جهت مشخص کردن پتانسیل‌های بروز چالش‌های مختلف در مرحله طراحی مورد استفاده قرار گرفته و منجر به تصحیح موقعیت قرارگیری، ظرقیت و جانمایی اجزای سامانه می‌شود.
با استفاده از تعقیب ذرات هوا می‌توان گردش مجدد هوای گرم خروجی از سرورهای قرار گرفته در یک مرکز داده را به تصویر کشید و تمهیداتی را برای حذف آن در نظر گرفت.
با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) می‌توان هزینه‌های مربوط به انرژی را کاهش داد. همانطور که در تصویر مشاهده می‌گردد به تصویر کشیدن لایه‌بندی هوا با استفاده از شبیه‌سازی عددی اجازه بهینه‌سازی و امتداد کانال هوای برگشت را فراهم می‌کند. به این ترتیب هوا برگشتی به سامانه تهویه مطبوع هوای نسبتاً سرد‌تری بوده و نیاز به صرف انرژی کمتری جهت خنک‌کردن دارد.
بهینه‌سازی انرژی مصرفی:
در طراحی ساختمان بخش چشمگیری از انرژی صرف دستگاه‌های تهویه مطبوع و گردش دهنده هوا می‌شود. با انجام شبیه‌سازی CFD می‌توان مقدار هوای مورد نیاز به منظور ایجاد شرایط مطبوع را با استفاده از لایه‌بندی حرارتی هوا و تعیین مسیر جریان هوا بهینه نمود. همچنین با استفاده از شبیه‌سازی CFD می‌توان تمامی استراتژی‌های ایجاد سرمایش و گرمایش، اعم از روش‌های عامل، غیر عامل و روش‌های ترکیبی را از منظر انرژی مصرفی ارزیابی و مقایسه کرد.
کنترل آلاینده‌های موجود در هوا:
آلاینده‌های خروجی از اگزاست تجهیزات و ساختمان بایستی به نحوی از ساختمان خارج شوند که امکان بازگشت مجدد آنها به داخل فضاهای مختلف ساختمان وجود نداشته باشد. گاهی اوقات جریان‌های خارجی ساختمان و وزش باد سبب مکش دوباره این آلاینده‌ها توسط دستگاه‌های سامانه تهویه مطبوع می‌شود. با استفاده از شبیه‌سازی می‌توان محل خروجی‌های هوای آلوده را به نحوی تعیین نمود که از عدم برگشت آلاینده‌ها به داخل ساختمان اطمینان حاصل گردد.
در شکل فوق نتایج شبیه‌سازی جریان هوای خارجی در اطراف یک بیمارستان نشان داده شده، در این ساختمان محل دریچه‌های اگزاست و هوای تازه ساختمان به نحوی بهینه‌سازی شده است که امکان بازگشت هوای آلوده به داخل ساختمان وجود نداشته باشد.
در شکل فوق با استفاده از ششبیه‌سازی CFD سامانه تهویه اتاق عمل به شکلی بهینه‌سازی شده است که تا حد ممکن از پخش شدن آلودگی و آلاینده‌ها جلوگیری شود. تصویر سمت چپ مسیرهای جریان هوا در اتاق عمل پیش از بهینه‌سازی و تصویر سمت راست پس از بهینه‌سازی را نشان می‌دهد.
همچنین در طراحی سامانه‌های تصفیه هوای ساختمان لازم است که محل دریچه‌های ورودی هوا نیز مورد ارزیابی قرار گیرد. محل این دریچه‌ها نبایستی به نحوی باشد که سبب مکش هوای آلوده شود. با استفاده از شبیه‌سازی CFD می‌توان غلظت آلاینده‌ها در قسمت‌های مختلف را تعیین کرده و محل دریچه‌های مکش هوا را در جایی قرار داد که امکان مکش مجدد هوای آلوده وجود نداشته باشد. علاوه بر محل قرارگیری دریچه‌ها با استفاده از نتایج شبیه‌سازی CFD حتی می‌توان نوع فیلتر و نرخ تهویه مورد نیاز برای فضا را به صورت عملکرد محور (Performance Based) تعیین نمود.
آسایش افراد:
در طراحی سامانه تهویه مطبوع، برقراری آسایش افراد یکی از مهمترین ملاحظات می‌باشد. عملکرد طرح در این بخش تابع پارامترهای مختلفی از جمله دمای هوا، سرعت هوا، رطوبت هوا، مقدار پوشش افراد و نرخ فعالیت آنها است. همگی این پارامترها را می‌تواند در شبیه‌سازی CFD لحاظ کرد و از دقت نتایج بدست آمده اطمینان حاصل نمود.
با استفاده از نتایج شبیه‌سازی CFD می‌توان شرایط آسایش حرارتی افراد را بررسی کرده و از فراهم شدن آن اطمینان حاصل نمود. در شکل سمت راست شرایط آسایش برای فرد برقرار بوده، در صورتی که در شکل سمت چپ فرد در شرایط آسایش قرار ندارد.