ห้องเรียน CFD Ep.2: CFD คืออะไร? & การแนะนำ CFD

การจำลองพลศาสตร์ของไหล Computational Fluid Dynamics (CFD) คือการใช้คอมพิวเตอร์ในการแก้ปัญหาทางพลศาสตร์ของไหล ตามที่ชื่อแสดงถึง, CFD ใช้วิธีการคอมพิวเตอร์เพื่อจัดการกับความท้าทายในพลศาสตร์ของไหล ด้วยความที่ CFD กลายเป็นเครื่องมือที่ใช้งานง่ายมากขึ้น หลายคนจึงเริ่มใช้มันโดยไม่เข้าใจหลักพื้นฐานอย่างเต็มที่ บทความนี้จะอธิบายพื้นฐานของ CFD และหลักการพื้นฐานที่อยู่เบื้องหลังมัน

พลศาสตร์ของไหลคือการศึกษาการไหลและพฤติกรรมของของไหล ซึ่งสามารถเป็นของเหลวหรือก๊าซ จากมุมมองของเรานั้น พลศาสตร์ของไหลมีอยู่ทุกที่ ไม่ว่าจะเป็นการแปรงฟัน ดื่มกาแฟยามเช้า การเดินทางในวันที่มีลมฝนตก การไหลของแม่น้ำ หรือการปล่อยจรวด—พลศาสตร์ของไหลเป็นส่วนหนึ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ของชีวิต

การวิเคราะห์ CFD

การอธิบายเกี่ยวกับพลศาสตร์ของไหลเชิงวิเคราะห์อาจเป็นเรื่องที่ท้าทาย อย่างไรก็ตาม เมื่อในปัจจุบันคอมพิวเตอร์มีความก้าวหน้ามากขึ้น การแก้ปัญหาทางพลศาสตร์ของไหลจึงกลายเป็นเรื่องที่สามารถทำได้มากขึ้น และแถมมีค่าใช้จ่ายที่ลดลงด้วยนั้น การพัฒนาเช่นนี้คือเหตุผลที่โปรแกรม CFD ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลาย เรมาดูรายละเอียดทางเทคนิคกัน

สมการเชิงอนุพันธ์ในพลศาสตร์ของไหล

พลศาสตร์ของไหลได้รับการควบคุมโดยพลศาสตร์ของไหลได้รับการควบคุมโดยหลักการพื้นฐานสามประการ: การอนุรักษ์มวล, โมเมนตัม และพลังงาน

• การอนุรักษ์มวล: มวลไม่สามารถสร้างขึ้นหรือทำลายได้ ตัวอย่างเช่นในท่อ มวลของของไหลที่เข้าไปต้องเท่ากับมวลที่ออกมา หลักการนี้แสดงออก mathematically เป็นสมการเชิงปริพันธ์
• การอนุรักษ์โมเมนตัม: หลักการนี้มาจากกฎข้อที่สองของนิวตัน ซึ่งระบุว่าการเปลี่ยนแปลงของโมเมนตัมเท่ากับแรงที่กระทำ สมการโมเมนตัมสามารถนำเสนอทั้งในรูปแบบเชิงปริพันธ์และเชิงอนุพันธ์ โดยรูปแบบหลังจะเข้าใจได้ง่ายกว่า
• การอนุรักษ์พลังงาน: คล้ายกับโมเมนตัม แต่รวมถึงอุณหภูมิเป็นตัวแปร หลักการนี้มีความสำคัญเมื่อต้องจัดการกับของไหลที่มีการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและความหนาแน่น

หลักการเหล่านี้เป็นสมการ Navier-Stokes (NS) ซึ่งอธิบายการไหลของของไหลใดๆ สมการเหล่านี้เป็นสมการเชิงอนุพันธ์บางส่วนและมักมีการเชื่อมโยงกันอย่างสูง การแก้ปัญหาสมการเหล่านี้เชิงวิเคราะห์แทบจะเป็นไปไม่ได้เนื่องจากความซับซ้อนของมัน เราจึงต้องทำให้ปัญหาง่ายขึ้นโดยใช้ Boundary conditions and Initial Conditions.

บทบาทของ CFD

CFD ประกอบด้วยสามขั้นตอนหลัก:

1. การแบ่งส่วน (Discretization): การแบ่งปริมาตรของไหลขนาดใหญ่เป็นองค์ประกอบที่เล็กลงและจัดการได้ ขั้นตอนนี้สำคัญมาก—หากทำไม่ถูกต้อง ผลลัพธ์อาจไม่แม่นยำหรือไม่เกิดผลลัพธ์เลย ในภาษาคอมพิวเตอร์ นี่เรียกว่า “ขยะเข้า ขยะออก”
2. การแก้ไข (Solution): การแก้สมการที่แบ่งส่วน
3. การวิเคราะห์ผล (Post-processing): การวิเคราะห์ผลลัพธ์

การเข้าใจขั้นตอนเหล่านี้จะช่วยให้คุณเห็นภาพที่ชัดเจนขึ้นเกี่ยวกับ CFD และความสามารถของมัน ในตอนถัดไปของชุดนี้ เราจะสำรวจแนวคิดของการแบ่งส่วนอย่างละเอียด

แหล่งอ้างอิง

1. Introduction to Computational Fluid Dynamics
   • คำอธิบาย: ให้ภาพรวมที่ครอบคลุมเกี่ยวกับหลักการของ CFD รวมถึงการจำลองแบบ Transient และ Steady-State
   • แหล่งที่มา: Introduction to Computational Fluid Dynamics: A Practical Approach โดย Atul Sharma
   • ลิงก์: SpringerLink – Introduction to Computational Fluid Dynamics
2. Fundamentals of Fluid Mechanics
   • คำอธิบาย: อธิบายแนวคิดพื้นฐานในพลศาสตร์ของไหล รวมถึงการวิเคราะห์ตามเวลาและการวิเคราะห์ Steady-State
   • แหล่งที่มา: Fundamentals of Fluid Mechanics โดย Bruce A. Finlayson
   • ลิงก์: Wiley – Fundamentals of Fluid Mechanics
3. CFD for Engineers
   • คำอธิบาย: กล่าวถึงการใช้งานจริงของ CFD รวมถึงการจำลองแบบ Transient และ Steady-State ในบริบทวิศวกรรม
   • แหล่งที่มา: CFD for Engineers โดย David C. Wilcox
   • ลิงก์: Wiley – CFD for Engineers