CFD Analizi Nedir?

Mühendisler yeni bir ürün tasarlamakla görevlendirildiğinde en mükemmel sonuca ulaşmak için önemli araçlardan faydalanırlar. Örneğin, bir yarış otomobilinin tasarımında aerodinamik, mühendislik süreçlerinde önemli bir rol oynamaktadır. Aerodinamik tasarımlar konsept aşamasında kolayca ölçülemez. Genellikle mühendislerin tasarımlarını optimize etmesinin tek yolu ürün prototipleri üzerinde fiziksel testler yapmaktır. Bilgisayar teknolojisinin gelişmesiyle birlikte, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) alanında sıvı ve gaz akışkanların modellenmesi sağlanarak, CFD analizinde hız, basınç, sıcaklık, yoğunluk ve viskozite gibi fiziksel özellikler incelenebilmektedir.

Tüm bu fiziksel özelliklerin aynı anda düşünülerek doğru değerlerin elde edilmesi gerekmektedir. Akışkan analizini yapabilmek için yazılımlarda fiziksel durumlar, matematiksel modellemelerle ve sayısal yöntemlerle çözülür. Örneğin, Navier-Stokes denklemleri fiziksel durumların matematiksel modellenmesidir. Bu matematiksel modelleme akışkan ve ısı transferi için tüm bu fiziksel özelliklerde yapılan değişiklikleri açıklar. Ayrıca, matematiksel modelleme , ısı transferi, kütle transferi, faz değişimi, kimyasal reaksiyon vb. gibi durumların içeriğine göre değişir. Böylece bir CFD analizinin güvenilirliği büyük ölçüde bu sürecin tüm yapısına göre netleşir. Matematiksel modelin doğrulanması problemin çözümünde doğru bir durum yaratmak için son derece önemlidir. Ayrıca, çözümde bir yol oluşturmak için uygun sayısal yöntemlerin belirlenmesi matematiksel bir model kadar önem arz etmektedir. Analizin yapıldığı yazılım, sürdürülebilir bir ürün geliştirme süreci oluşturmada fiziksel prototip sayısını önemli ölçüde azaltılabileceğinden, kilit unsurlardan biridir.

CFD Analizi’nin Kısa Tarihi

Antik çağlardan günümüze kadar insanlık, sıvı akışına dayanan olayları keşfetmeye hevesliydi.

Peki, sizce CFD kaç yaşında?

Hesaplamalı akışkanlar dinamiği(HAD) alanındaki deneysel çalışmalar büyük bir dezavantaja sahiptir: Doğru olmaları gerekiyorsa, önemli miktarda zaman ve para tüketirler. Sonuç olarak, bilim insanları ve mühendisler daha hızlı inceleme için matematiksel bir model ve sayısal bir yöntemi bilgisayarla eşleştirmelerini sağlayan bir yöntem oluşturmak istedi.

Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiğinin kısa hikayesi aşağıda gibidir:

1910’a kadar: Matematiksel modeller ve sayısal yöntemler üzerindeki gelişmeler.

1910 – 1940: El hesaplamalarına dayalı sayısal çözümler üretmek için model ve yöntemlerin entegrasyonu

1940 – 1950: Ilk bilgisayarlarla bilgisayar tabanlı hesaplamalara geçiş (ENIAC). 1953’de mekanik bir masa hesap makinesi ile Kawaguti tarafından silindir etrafındaki akış için çözümlenmiştir.

1950 – 1960: Los Alamos National Lab, ABD’nin Navier-Stokes denklemlerine dayalı sıvı akışını modellemek için bilgisayarları kullanan ilk çalışmadır. Girdapların değerlendirilmesi- akım fonksiyonu yöntemi. Dünyada yapılan 2 boyutta, geçici(transient), sıkıştırılamaz akış için ilk uygulamadır.

1960 – 1970: 1967 yılında Hess ve Smith tarafından 3 Boyutlu  cisimlerin bilgisayarlı analizi hakkında “İsteğe bağlı çalışan organlar üzerindeki potansiyel akışın hesaplanması” başlıklı ilk bilimsel makale yayımlandı. Ticari kodların üretilmesi. hepsi hala yaygın olarak kullanılan K-e türbülans modeli, Arbitrary Lagrangian-Eulerian, SIMPLE algoritması gibi çeşitli yöntemler geliştirilmiştir.

1970 – 1980: Boeing, NASA ve bazılarının ürettiği kodlar, denizaltılar, yüzey gemileri, otomobiller, helikopterler ve uçaklar gibi birçok verimle çalışan ürünleri ortaya çıkardı.

1980 – 1990: Jameson ve diğerleri tarafından üç boyutlu bir durumda, transonik akışların doğru çözümlerinin tamamlanmıştır. Ticari kodlar hem akademi hem de endüstri yoluyla uygulanmaya başlamıştır.

1990 – Günümüz: Bilişimdeki kapsamlı gelişmeler: Dünyada hemen hemen her sektörde CFD Analizi ve simülasyonların yaygın kullanımı.

Daha büyük bir resim düşünürsek: Tüm teorik akışkanlar dinamiği modellemelerinde temel denklem, viskoz akışkan alanların hareketini tanımlayan, Navier-Stokes denklemleri tarafından verilmektedir.

Keşiflerinin tarihi oldukça ilginçtir. Navier-Stokes denklemi, hiç  birbirleriyle tanışma fırsatı bulamayan Claude-Louis Navier (1785-1836) ve Sir George Gabriel Stokes (1819-1903) tarafından oluşturulmuştur. İlk başta, Claude-Louis Navier, 1822 yılına kadar kısmi bir denklem bölümü üzerinde çalışmalar yaptı. Daha sonra, Sir George Gabriel Stokes, 1845’te denklemleri düzenleyip tamamlamıştır.

Claude-Louis Navier             Sir George Gabriel Stokes