استفاده از CFD در شبیه‌سازی و بهینه‌سازی سیستم‌های تهویه و انتقال حرارت

امروزه تحلیل دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) به یکی از مهم‌ترین ابزارهای مهندسی برای درک دقیق رفتار جریان هوا، دما و انتقال حرارت در سیستم‌های تهویه مطبوع و فرآیندهای صنعتی تبدیل شده است. CFD به مهندسان این امکان را می‌دهد که بدون نیاز به آزمون‌های پرهزینه‌ی تجربی، رفتار دقیق سیالات را درون ساختمان‌ها، مجاری هوا، مبدل‌های حرارتی و اتاق‌های تمیز شبیه‌سازی کنند.

در طراحی سیستم‌های HVAC، استفاده از CFD نه‌تنها موجب افزایش دقت تحلیل و کاهش هزینه‌های اجرایی می‌شود، بلکه به مهندسان اجازه می‌دهد که الگوهای جریان، نواحی رکود، افت فشار و توزیع دما را قبل از ساخت مدل واقعی بررسی کرده و بهترین پیکربندی ممکن را انتخاب کنند. به همین دلیل، CFD به‌عنوان ابزاری ضروری در طراحی و بهینه‌سازی سیستم‌های انتقال حرارت شناخته می‌شود.

۱. مقدمه‌ای بر تحلیل CFD

CFD مخفف عبارت Computational Fluid Dynamics است و شامل استفاده از روش‌های عددی برای حل معادلات حاکم بر حرکت سیال (ناویر-استوکس) و انتقال حرارت است. در CFD، دامنه جریان به شبکه‌ای از سلول‌های کوچک تقسیم می‌شود و در هر سلول معادلات مربوط به بقاء جرم، مومنتوم و انرژی حل می‌شوند. نتیجه‌ی این تحلیل، توزیع سه‌بعدی سرعت، فشار و دما در تمام ناحیه‌ی جریان است.

به طور کلی، معادلات اصلی مورد استفاده در CFD به صورت زیر هستند:

در این روابط، ρ چگالی سیال، V بردار سرعت، p فشار، μ ویسکوزیته دینامیکی، T دما و Φ ترم تولید حرارت ناشی از اصطکاک است. با حل عددی این معادلات، توزیع متغیرهای اصلی جریان در هر نقطه از فضا به‌دست می‌آید.

۲. اهمیت CFD در طراحی سیستم‌های تهویه مطبوع

در سیستم‌های تهویه مطبوع (HVAC)، عملکرد صحیح تجهیزات به توزیع یکنواخت جریان هوا، کنترل دما و جلوگیری از ایجاد نواحی مرده (Dead Zones) وابسته است. استفاده از CFD در طراحی چنین سیستم‌هایی چند مزیت کلیدی دارد:

• شناسایی مسیر جریان: CFD امکان مشاهده مسیر حرکت هوا، نقاط چرخش و جریان‌های گردابه‌ای را فراهم می‌کند.
• تحلیل افت فشار: می‌توان میزان افت فشار در مجاری و کانال‌های تهویه را با دقت بالا محاسبه و اصلاح کرد.
• بهینه‌سازی موقعیت دریچه‌ها: CFD کمک می‌کند تا محل دقیق دمنده‌ها و مکنده‌ها به گونه‌ای انتخاب شود که کمترین مصرف انرژی و بیشترین توزیع دما حاصل گردد.
• تحلیل آسایش حرارتی: CFD می‌تواند شاخص‌هایی مانند PMV و PPD را بر اساس شرایط جریان و دما محاسبه کند تا احساس راحتی ساکنان بررسی شود.

۳. مراحل اجرای تحلیل CFD در پروژه‌های HVAC

فرآیند اجرای تحلیل CFD شامل مراحل متوالی است که هر کدام نقش مهمی در دقت نتایج نهایی دارند. این مراحل عبارت‌اند از:

۳.۱. مدل‌سازی هندسی

در این مرحله، شکل سه‌بعدی سیستم تهویه (اتاق، کانال‌ها، مبدل‌ها و تجهیزات) در نرم‌افزار CAD مانند SolidWorks یا Revit ترسیم می‌شود. سپس مدل برای شبکه‌بندی به نرم‌افزار CFD منتقل می‌شود. کیفیت هندسه و دقت در جزئیات، مستقیماً بر نتایج نهایی تأثیر دارد.

۳.۲. شبکه‌بندی (Meshing)

شبکه‌بندی یکی از حساس‌ترین مراحل تحلیل است. دامنه جریان به حجم‌های کوچکی تقسیم می‌شود تا معادلات در هر سلول حل شوند. در نواحی با تغییرات زیاد (مثل نزدیک دیواره‌ها و ورودی‌ها) باید از شبکه‌های ریزتر استفاده شود تا دقت تحلیل افزایش یابد. جدول زیر انواع شبکه‌ها را نشان می‌دهد:

۳.۳. تعریف شرایط مرزی

در CFD، شرایط مرزی بیانگر نحوه‌ی ورود، خروج و تبادل انرژی در سیستم است. برای مثال:

• ورودی هوا: سرعت یا دبی جریان مشخص
• خروجی هوا: فشار یا نرخ جریان خروجی
• دیواره‌ها: شرط بدون لغزش (No-slip) با دمای ثابت یا شار حرارتی معلوم

انتخاب صحیح این شرایط مرزی یکی از کلیدهای به‌دست‌آوردن نتایج معتبر است.

۴. مدل‌های توربولانسی و نقش آن‌ها در شبیه‌سازی تهویه

جریان‌های هوا در سیستم‌های تهویه مطبوع معمولاً دارای رفتار توربولانسی هستند، به‌ویژه در سرعت‌های متوسط تا بالا و در نواحی با تغییر جهت جریان، زوایا و اتصالات. بنابراین انتخاب مدل توربولانسی مناسب یکی از تصمیمات کلیدی در شبیه‌سازی CFD است.

توربولانس به معنای آشفتگی و ناپایداری جریان است؛ در این حالت، حرکت سیال شامل گردابه‌ها و نوسانات سریع می‌شود که منجر به انتقال مؤثرتر جرم و انرژی می‌گردد. از آن‌جا که حل مستقیم تمام جزئیات توربولانس (مدل DNS) بسیار پرهزینه است، معمولاً از مدل‌های میانگین‌گیری‌شده استفاده می‌شود.

۴.۱. مدل‌های اصلی توربولانسی در CFD

در طراحی سیستم‌های تهویه ساختمان، معمولاً مدل‌های k–ε RNG و k–ω SST تعادل خوبی بین دقت و هزینه محاسباتی ایجاد می‌کنند.

۴.۲. معیار انتخاب مدل مناسب

• نوع جریان: جریان آرام یا آشفته، دائمی یا گذرا
• هندسه سیستم: پیچیدگی کانال‌ها، حضور موانع، انشعابات
• هدف تحلیل: دقت در توزیع سرعت یا تمرکز بر انتقال حرارت
• محدودیت سخت‌افزاری: توان پردازشی و زمان مجاز شبیه‌سازی

۴.۳. مثال عددی

فرض کنید جریان هوای ورودی به یک کانال تهویه با دبی 0.3 m³/s و دمای 25°C وارد می‌شود. اگر طول کانال 4 متر و قطر هیدرولیکی آن 0.2 متر باشد، عدد رینولدز برابر است با:

با فرض چگالی هوا 1.2 kg/m³ و ویسکوزیته 1.8×10⁻⁵ Pa·s داریم:

بنابراین جریان کاملاً توربولانس است و مدل k–ε برای آن مناسب خواهد بود.

۵. انتقال حرارت در تحلیل CFD

یکی از اهداف کلیدی تحلیل CFD، پیش‌بینی دقیق انتقال حرارت در سیستم‌های تهویه است. در طراحی کانال‌ها و مبدل‌ها باید هر سه مکانیزم اصلی انتقال حرارت در نظر گرفته شود: رسانش، جابجایی و تابش.

۵.۱. رسانش (Conduction)

رسانش، انتقال انرژی درون ماده جامد یا ساکن بر اثر اختلاف دما است. در CFD، رسانش معمولاً با معادله زیر مدل می‌شود:

که در آن k ضریب رسانش حرارتی و ∇T گرادیان دما است. در دیواره‌های فلزی کانال‌ها یا کویل‌ها، رسانش نقش مهمی در تبادل حرارتی دارد.

۵.۲. جابجایی (Convection)

جابجایی شامل انتقال حرارت بین سطح جامد و سیال متحرک است. برای یک سطح با دمای T_s و سیال با دمای T_∞ رابطه زیر برقرار است:

در CFD مقدار h مستقیماً از میدان جریان و خواص سیال استخراج می‌شود، نه از روابط تجربی، که این خود یکی از مزیت‌های بزرگ CFD نسبت به روش‌های کلاسیک است.

۵.۳. تابش (Radiation)

در فضاهایی با دماهای بالا یا سطوح شفاف، تابش حرارتی نقش تعیین‌کننده دارد. مدل‌های مختلفی برای تحلیل تابش در CFD وجود دارد که از بین آن‌ها مدل DO (Discrete Ordinates) در تهویه مطبوع متداول‌تر است. این مدل مسیر پرتوهای حرارتی را از هر سطح محاسبه می‌کند و تعامل آن‌ها را با سایر سطوح می‌سنجد.

۵.۴. مقایسه سه مکانیسم اصلی

در تحلیل کامل HVAC باید ترکیب هر سه نوع انتقال حرارت لحاظ شود، زیرا حذف هر کدام از آن‌ها می‌تواند خطای قابل‌توجهی در نتایج ایجاد کند.

۶. صحت‌سنجی و همگرایی در شبیه‌سازی CFD

یکی از مهم‌ترین مراحل پس از اجرای حل عددی در CFD، اطمینان از صحت نتایج است. حتی کوچک‌ترین خطا در تنظیم شبکه، شرایط مرزی یا معیارهای همگرایی می‌تواند باعث شود نتایج نهایی فاقد اعتبار باشند. ازاین‌رو، صحت‌سنجی و اعتبارسنجی مدل عددی در هر پروژه‌ی CFD الزامی است.

۶.۱. مفهوم همگرایی (Convergence)

در حل عددی معادلات CFD، تکرارهای متوالی تا زمانی ادامه می‌یابد که تغییرات متغیرها (مانند سرعت، فشار و دما) در هر مرحله به حداقل برسند. وقتی مقدار باقیمانده‌ها (Residuals) به سطح قابل‌قبول کاهش یابد، حل همگرا محسوب می‌شود. معمولاً شرط همگرایی برای CFD به صورت زیر تعریف می‌شود:

در شبیه‌سازی‌های HVAC، چون دامنه جریان بزرگ است، مقدار 10⁻⁴ معمولاً کافی است. برای دقت بالاتر (مانند اتاق تمیز یا خنک‌کننده‌های دقیق)، همگرایی تا 10⁻⁶ توصیه می‌شود.

۶.۲. کنترل پایداری حل

پایداری حل CFD به عواملی مانند اندازه شبکه، گام زمانی، طرح تفاضل‌گیری و مدل توربولانسی بستگی دارد. استفاده از گام زمانی خیلی بزرگ می‌تواند موجب نوسان در نتایج یا ناپایداری کامل مدل شود. برای جلوگیری از این مشکل:

• از گام زمانی کوچک‌تر برای نواحی با گرادیان زیاد دما یا سرعت استفاده کنید.
• در شبکه‌های ریز از تنظیمات Relaxation Factor پایین‌تر (مثلاً 0.3 تا 0.5) بهره ببرید.
• در شروع تحلیل، ابتدا از حل پایدار (Steady-State) استفاده کرده و سپس حل گذرا (Transient) را اجرا کنید.

۶.۳. صحت‌سنجی نتایج

پس از همگرا شدن حل، باید دقت نتایج با داده‌های تجربی یا روابط تئوریک مقایسه شود. روش‌های متداول صحت‌سنجی عبارت‌اند از:

به عنوان نمونه، در یک سیستم کانال مستطیلی با سرعت ورودی 6 m/s، CFD افت فشار را 52 Pa پیش‌بینی کرده است در حالی که رابطه دارسی–ویسباخ مقدار 50 Pa می‌دهد. این اختلاف کمتر از 5٪ بوده و نشان‌دهنده‌ی صحت مدل است.

۷. تحلیل نتایج و مصورسازی داده‌ها

پس از اتمام حل عددی، مرحله‌ی تحلیل و تفسیر داده‌ها آغاز می‌شود. در CFD، داده‌ها معمولاً به‌صورت ابر اطلاعات سه‌بعدی (۳D Field Data) هستند که شامل مقادیر سرعت، فشار و دما در هزاران نقطه است. برای درک این داده‌ها، ابزارهای مصورسازی (Visualization) به کار می‌روند.

۷.۱. خطوط جریان (Streamlines)

Streamlineها مسیر حرکت ذرات هوا را نشان می‌دهند. در طراحی کانال‌ها، مشاهده این خطوط به مهندس کمک می‌کند مسیرهای چرخشی یا نقاط رکود را شناسایی و اصلاح کند.

۷.۲. کانتورهای دما (Temperature Contours)

کانتورها توزیع دما را در سطح یا مقطع خاصی از سیستم نشان می‌دهند. در تحلیل اتاق‌های تهویه، از این روش برای بررسی یکنواختی سرمایش یا گرمایش استفاده می‌شود.

۷.۳. نمودارهای سرعت و فشار

برای ارزیابی کارایی سیستم، نمودارهای سرعت و فشار در مسیر کانال استخراج می‌شوند. این نمودارها مشخص می‌کنند که آیا جریان یکنواخت است یا افت فشار بیش از حد وجود دارد.

۷.۴. شاخص‌های آسایش حرارتی

یکی از خروجی‌های کاربردی CFD در ساختمان‌ها، محاسبه شاخص‌های آسایش حرارتی است. دو شاخص مهم عبارت‌اند از:

• PMV (Predicted Mean Vote): بیانگر میزان رضایت حرارتی کاربران از فضا، با بازه‌ی بین -3 تا +3.
• PPD (Predicted Percentage Dissatisfied): درصد افراد ناراضی از شرایط حرارتی فضا.

CFD با تحلیل دقیق جریان و دما می‌تواند این شاخص‌ها را محاسبه کرده و برای بهینه‌سازی طراحی سیستم تهویه استفاده شود.

۷.۵. مثال عملی تحلیل نتایج

در شبیه‌سازی یک سالن بزرگ نمایشگاه با سیستم تهویه سقفی، CFD نشان داد که ناحیه‌ای در مرکز سالن دارای دمای بالاتر از میانگین (۲۸°C) و سرعت هوا پایین‌تر از ۰.۲ m/s است. با تغییر زاویه دمنده‌ها و افزایش سرعت در کانال‌های جانبی، دما به مقدار مطلوب ۲۴°C رسید و شاخص PMV از +1.2 به +0.2 کاهش یافت که بیانگر آسایش مطلوب‌تر است.

۷.۶. ابزارهای تحلیل CFD در صنعت تهویه

• ANSYS Fluent: جامع‌ترین نرم‌افزار صنعتی با مدل‌های گسترده حرارتی و توربولانسی.
• SimScale: ابزار آنلاین مبتنی بر ابر، مناسب برای پروژه‌های آموزشی و معماری.
• OpenFOAM: نرم‌افزار متن‌باز برای تحلیل‌های تحقیقاتی پیشرفته.
• Autodesk CFD: گزینه‌ای محبوب در بین مهندسان تاسیسات ساختمان برای مدل‌سازی جریان هوا.

۸. بهینه‌سازی طراحی کانال‌ها و مجاری تهویه

یکی از مهم‌ترین کاربردهای CFD در مهندسی تهویه، بهینه‌سازی مسیر جریان هوا در کانال‌ها و مجاری سیستم‌های HVAC است. طراحی نادرست کانال‌ها منجر به افت فشار بالا، افزایش صدای سیستم، توزیع نامناسب دما و مصرف انرژی بیش از حد می‌شود. CFD به مهندسان این امکان را می‌دهد که قبل از اجرا، سناریوهای مختلف طراحی را شبیه‌سازی و بهترین گزینه را انتخاب کنند.

۸.۱. اهمیت هندسه در عملکرد سیستم

زاویه انشعابات، شعاع انحنا، اندازه دریچه‌ها و موقعیت دمنده‌ها مستقیماً بر روی الگوی جریان اثر می‌گذارند. CFD با نمایش دقیق توزیع سرعت در هر ناحیه نشان می‌دهد که کدام مسیرها جریان بهینه‌تری دارند. در تصویر زیر (در نسخه نهایی سایت شما قرار می‌گیرد)، نواحی با رنگ قرمز بیانگر سرعت زیاد و نقاط آبی نشانه‌ی رکود جریان هستند.

۸.۲. معیارهای طراحی کانال بر اساس نتایج CFD

• کاهش افت فشار: با بررسی توزیع فشار می‌توان مسیرهایی با افت زیاد را شناسایی و هندسه را اصلاح کرد.
• توزیع یکنواخت سرعت: هدف طراحی کانال، رسیدن به سرعت‌های نزدیک به مقدار میانگین است تا صدای جریان و تلفات انرژی کاهش یابد.
• بهینه‌سازی اتصالات: CFD کمک می‌کند تا زاویه اتصالات و انشعابات به گونه‌ای انتخاب شود که جریان بدون جدایش حرکت کند.
• کاهش نویز: نواحی با سرعت زیاد یا آشفتگی بالا، منابع نویز هستند. CFD با پیش‌بینی این نقاط، امکان اصلاح طراحی را فراهم می‌کند.

۸.۳. مثال عددی از بهینه‌سازی با CFD

در یک پروژه واقعی HVAC، کانالی با دو انشعاب جانبی دچار افت فشار غیرمنتظره‌ای بود. تحلیل CFD نشان داد که زاویه انشعاب‌ها (۹۰ درجه) باعث ایجاد گردابه‌های شدید می‌شود. پس از تغییر زاویه به ۴۵ درجه و اصلاح شعاع خم، افت فشار کل از ۷۵ Pa به ۴۲ Pa کاهش یافت و راندمان دمنده ۱۲٪ افزایش یافت. این بهبود مستقیماً موجب کاهش مصرف انرژی الکتریکی شد.

۹. CFD و مدیریت انرژی در سیستم‌های تهویه

مصرف انرژی در سیستم‌های HVAC معمولاً ۴۰ تا ۶۰ درصد کل مصرف انرژی ساختمان را تشکیل می‌دهد. بنابراین هر گونه بهبود در طراحی و عملکرد سیستم می‌تواند تأثیر قابل‌توجهی بر صرفه‌جویی انرژی داشته باشد. CFD با امکان تحلیل دقیق رفتار هوا، ابزار قدرتمندی برای مدیریت انرژی محسوب می‌شود.

۹.۱. تحلیل بار سرمایی با CFD

در گذشته، محاسبه بار سرمایی صرفاً بر اساس روابط تجربی انجام می‌شد. اما CFD می‌تواند توزیع واقعی دما در فضا را پیش‌بینی کند. این موضوع باعث می‌شود که بار سرمایی واقعی در مقایسه با مقدار تجربی، گاهی تا ۲۰٪ کمتر برآورد شود، زیرا CFD تأثیر جریان همرفت طبیعی و ناهمگونی دمایی را دقیق‌تر لحاظ می‌کند.

۹.۲. استفاده از CFD در کنترل مصرف انرژی فن‌ها

فن‌ها از مصرف‌کنندگان اصلی انرژی در سیستم‌های تهویه هستند. CFD با محاسبه دقیق افت فشار در مسیر جریان، به مهندسان کمک می‌کند تا:

• قطر مجاری را بهینه انتخاب کنند تا فن در نقطه عملکردی مناسب‌تری کار کند.
• مسیرهای با تلفات زیاد را شناسایی و حذف کنند.
• جریان‌های برگشتی یا چرخشی را کاهش دهند.

کاهش تنها ۵٪ در افت فشار سیستم می‌تواند مصرف برق فن‌ها را تا ۱۰٪ کاهش دهد.

۹.۳. تحلیل سیستم‌های چندمنطقه‌ای (Multi-Zone)

در ساختمان‌های بزرگ، دمای هر منطقه بسته به موقعیت و میزان تابش خورشید متفاوت است. CFD می‌تواند تعامل بین مناطق را بررسی کرده و از عملکرد نادرست سیستم جلوگیری کند. با این روش، دریچه‌های هوشمند و دمپرها به‌گونه‌ای کنترل می‌شوند که توزیع دما بهینه و مصرف انرژی حداقل شود.

۹.۴. CFD و کنترل هوشمند

با ادغام CFD و سیستم‌های مدیریت ساختمان (BMS)، امکان پیش‌بینی شرایط آینده بر اساس داده‌های زنده فراهم می‌شود. به‌عنوان مثال، CFD می‌تواند با استفاده از داده‌های لحظه‌ای دما، سرعت و رطوبت، بهترین حالت عملکرد سیستم را پیشنهاد دهد. این قابلیت در ترکیب با هوش مصنوعی (AI) می‌تواند تا ۳۰٪ در مصرف انرژی صرفه‌جویی ایجاد کند.

۱۰. بهینه‌سازی توزیع حرارت در فضاهای داخلی

در فضاهای داخلی مانند دفاتر، کلاس‌های درس و بیمارستان‌ها، توزیع یکنواخت حرارت بسیار حیاتی است. CFD کمک می‌کند تا موقعیت دریچه‌ها، تعداد فن‌کویل‌ها و سرعت جریان برای هر فضا بهینه شود.

به عنوان مثال، در یک اتاق عمل که باید دمای آن ثابت ۲۲°C باشد، CFD نشان داد که جریان هوای خروجی از فیلتر HEPA در گوشه‌ها به‌درستی پخش نمی‌شود. با تنظیم زاویه دریچه و افزایش فشار موضعی، اختلاف دما در اتاق از ۲°C به کمتر از ۰.۵°C رسید که برای شرایط اتاق تمیز ایده‌آل محسوب می‌شود.

۱۱. کاربرد CFD در طراحی اتاق تمیز (Cleanroom Design)

اتاق‌های تمیز یا Cleanroom، فضاهایی هستند که در آن‌ها غلظت ذرات معلق در هوا، دما، رطوبت، فشار و سرعت جریان به‌صورت کاملاً کنترل‌شده حفظ می‌شود. این فضاها در صنایع داروسازی، میکروالکترونیک، نانوتکنولوژی، هوافضا و بیمارستان‌ها نقش حیاتی دارند. طراحی صحیح الگوی جریان هوا در این فضاها، تأثیر مستقیم بر کیفیت محصول و ایمنی محیط دارد؛ و CFD، دقیق‌ترین ابزار برای تحلیل و بهینه‌سازی آن محسوب می‌شود.

۱۱.۱. اهمیت جریان هوا در اتاق‌های تمیز

هدف اصلی در طراحی اتاق تمیز، حذف ذرات معلق و جلوگیری از تجمع آلودگی است. برای این منظور باید مسیر حرکت هوای تمیز به‌گونه‌ای باشد که ذرات، سریعاً از محیط خارج شوند و در اطراف اپراتور یا تجهیزات تجمع نکنند. در این میان، CFD قادر است رفتار جریان را در مقیاس دقیق شبیه‌سازی کند و الگوهای گردابه، رکود و بازچرخش جریان را آشکار نماید.

در طراحی سنتی، از روابط تجربی مانند نسبت تعویض هوا در ساعت (ACH) استفاده می‌شود؛ اما این روش‌ها رفتار محلی جریان را نشان نمی‌دهند. CFD با تحلیل سه‌بعدی جریان، به‌ویژه در اطراف تجهیزات حساس، مسیر حرکت ذرات را دقیق‌تر مشخص می‌کند.

۱۱.۲. جریان آرام (Laminar Flow) در Cleanroom

در اتاق‌های با کلاس بالا (ISO 5 یا بهتر)، جریان باید کاملاً آرام و یکنواخت باشد تا از آشفتگی و ایجاد گردابه جلوگیری شود. CFD با شبیه‌سازی میدان سرعت در بخش‌های مختلف اتاق نشان می‌دهد آیا جریان واقعاً لایه‌ای است یا نواحی با اغتشاش بالا وجود دارد.

برای مثال، در یک اتاق تمیز داروسازی، با CFD مشخص شد نصب یک چراغ سقفی در مسیر جریان باعث ایجاد گردابه در ناحیه بحرانی شده بود. پس از جابه‌جایی آن، سرعت متوسط هوا در سطح کار از ۰٫۳۵ m/s به ۰٫۴۵ m/s افزایش یافت و آلودگی ذرات تا ۴۰٪ کاهش پیدا کرد.

۱۱.۳. مدل‌سازی ذرات معلق و آلودگی

یکی از کاربردهای پیشرفته CFD، مدل‌سازی ذرات معلق با استفاده از Discrete Phase Model (DPM) است. در این روش، ذرات معلق (گرد و غبار، بخار یا ذرات بیولوژیک) به‌صورت فاز جداگانه در جریان هوا دنبال می‌شوند و مسیر حرکت آن‌ها با نیروهای درگ، گرانش و برخورد با سطوح محاسبه می‌گردد.

این قابلیت به مهندسان اجازه می‌دهد تا مسیر واقعی انتشار آلودگی را مشاهده و محل تجمع ذرات را شناسایی کنند. نتایج CFD حتی می‌تواند برای بهبود محل نصب هودها و دریچه‌های برگشتی استفاده شود تا ذرات مستقیماً از نواحی بحرانی خارج شوند.

۱۱.۴. نقش فشار مثبت و اختلاف فشار

یکی از اصول کلیدی طراحی اتاق تمیز، حفظ فشار مثبت نسبت به محیط اطراف است تا هوای آلوده وارد فضا نشود. CFD با شبیه‌سازی میدان فشار، می‌تواند نشان دهد که آیا اختلاف فشار کافی بین فضاهای مجاور (مثلاً ۵ تا ۱۵ پاسکال) برقرار است یا خیر.

به‌علاوه، CFD قادر است نشت هوا از درزها یا درگاه‌ها را شناسایی کرده و اثر آن بر جریان عمومی را ارزیابی کند. این تحلیل‌ها معمولاً در طراحی راهروهای تمیز (Airlock) و فضاهای گذار بسیار حیاتی هستند.

۱۱.۵. بهینه‌سازی فیلترها و مسیر جریان

فیلترهای HEPA یا ULPA معمولاً در سقف یا دیوار نصب می‌شوند و جریان هوای تمیز را تأمین می‌کنند. CFD می‌تواند توزیع سرعت خروجی از این فیلترها را شبیه‌سازی کرده و نواحی با جریان ناکافی را مشخص کند.

در یک پروژه صنعتی، با جابه‌جایی فیلترها و تنظیم زاویه خروجی، یکنواختی جریان از ۷۲٪ به ۹۱٪ افزایش یافت و نرخ تعویض هوا مورد نیاز به میزان ۱۸٪ کاهش یافت؛ که منجر به صرفه‌جویی سالانه انرژی شد.

۱۲. کاربرد CFD در تهویه صنعتی

در محیط‌های صنعتی مانند کارخانه‌های فولاد، کارگاه‌های جوشکاری، صنایع شیمیایی یا تولید مواد غذایی، تهویه صحیح نقش کلیدی در ایمنی، سلامت کارکنان و کنترل کیفیت دارد. CFD در این زمینه به‌عنوان ابزاری دقیق برای تحلیل مسیر جریان هوا، انتقال حرارت و انتشار آلودگی‌ها استفاده می‌شود.

۱۲.۱. تهویه موضعی (Local Exhaust Ventilation)

در سیستم تهویه موضعی، هدف جمع‌آوری آلاینده‌ها در منبع تولید است. CFD می‌تواند جریان اطراف منبع آلودگی را مدل‌سازی کند و نشان دهد چه میزان از ذرات یا بخارات در محدوده هود جمع‌آوری می‌شوند.

به‌عنوان مثال، در یک کارگاه جوشکاری، شبیه‌سازی CFD نشان داد که با کاهش فاصله هود از سطح کار از ۶۰ به ۴۵ سانتی‌متر و افزایش دبی هوا به ۱۸۰۰ m³/h، راندمان جمع‌آوری دود از ۶۰٪ به ۸۸٪ رسید. چنین اصلاحاتی از طریق آزمایش عملی بسیار پرهزینه و زمان‌بر است، اما CFD آن را در چند ساعت محاسبه کرد.

۱۲.۲. تهویه عمومی (General Ventilation)

در فضاهای بزرگ صنعتی مانند سالن‌های تولید، تهویه عمومی برای توزیع یکنواخت هوا و کنترل دما و آلاینده‌ها استفاده می‌شود. CFD با شبیه‌سازی میدان جریان در سه بعد، می‌تواند نشان دهد آیا مناطق رکود هوا یا دمای بالا وجود دارند یا خیر.

در یک کارخانه ریخته‌گری، CFD آشکار کرد که طراحی فعلی مسیر هوای گرم را در سقف محبوس کرده و باعث افزایش دمای محیط تا ۴۵ درجه سانتی‌گراد شده بود. با افزودن کانال‌های عمودی بازگرداننده، دمای متوسط به ۳۲ درجه کاهش یافت و تهویه یکنواخت شد.

۱۲.۳. تهویه اضطراری و ایمنی

در محیط‌هایی که احتمال نشت گازهای سمی یا مواد قابل اشتعال وجود دارد، CFD ابزار حیاتی برای پیش‌بینی رفتار گازها در شرایط اضطراری است. با مدل‌سازی انتشار گاز، مسیر تخلیه، فشار و چگالی، می‌توان مسیرهای ایمن خروج کارکنان را طراحی کرد و عملکرد سنسورهای گاز را بررسی نمود.

در پروژه‌ای مرتبط با صنایع پتروشیمی، CFD نشان داد که تغییر جهت فن‌های اضطراری از حالت افقی به مورب، زمان تخلیه گاز آمونیاک را از ۴۵ ثانیه به ۲۵ ثانیه کاهش می‌دهد — این یعنی کاهش خطر انفجار به کمتر از نصف.

۱۳. نتایج عددی و تحلیل انرژی

تحلیل انرژی در سیستم‌های تهویه صنعتی به کمک CFD امکان‌پذیر است. CFD با محاسبه میدان دما، سرعت و فشار، می‌تواند مصرف انرژی فن‌ها و سیستم خنک‌کننده را تخمین بزند و راهکارهایی برای کاهش آن ارائه دهد.

در مطالعه‌ای بر روی کارخانه تولید مواد غذایی، با تغییر چیدمان فن‌ها بر اساس نتایج CFD، مصرف انرژی سالانه از ۲۵۰ مگاوات‌ساعت به ۲۰۵ مگاوات‌ساعت کاهش یافت. این معادل صرفه‌جویی ۱۸٪ در انرژی و ۴۵ تن کاهش انتشار CO₂ بود.

نتیجه: استفاده از CFD در طراحی تهویه صنعتی نه تنها موجب صرفه‌جویی در هزینه‌ها می‌شود، بلکه ایمنی کارکنان و کیفیت محیط کاری را به‌طور چشمگیری بهبود می‌بخشد.

۱۴. کاربرد CFD در طراحی مبدل‌های حرارتی

مبدل‌های حرارتی قلب سیستم‌های تهویه، سرمایش و گرمایش هستند. عملکرد بهینه آن‌ها نقش تعیین‌کننده‌ای در کاهش مصرف انرژی و افزایش بازده کل سیستم HVAC دارد. شبیه‌سازی CFD با فراهم کردن تصویر دقیقی از توزیع دما، سرعت و افت فشار در مبدل‌ها، به مهندسان امکان می‌دهد تا طراحی را به‌صورت بهینه انجام دهند.

۱۴.۱. مدل‌سازی جریان و انتقال حرارت

در تحلیل CFD مبدل‌ها، میدان سرعت، دما و فشار سیال گرم و سرد به‌صورت هم‌زمان حل می‌شود. در نرم‌افزارهایی مانند ANSYS Fluent یا OpenFOAM، معادلات پیوستگی، مومنتوم و انرژی برای هر دو ناحیه سیال محاسبه می‌شوند و شرایط مرزی در دیواره‌ها به‌صورت coupled در نظر گرفته می‌شوند.

یکی از چالش‌های طراحی، توزیع غیریکنواخت جریان در ورودی و خروجی است. CFD این امکان را فراهم می‌کند تا با تغییر زاویه صفحات هادی یا موقعیت بفل‌ها (Baffle)، یکنواختی توزیع جریان بهبود یابد و اختلاف دمای خروجی به حداقل برسد.

۱۴.۲. تحلیل افت فشار

افت فشار یکی از مهم‌ترین شاخص‌های طراحی مبدل‌ها است، زیرا مستقیماً بر توان مصرفی پمپ‌ها و فن‌ها تأثیر می‌گذارد. با شبیه‌سازی CFD می‌توان نواحی با بیشترین گرادیان فشار را شناسایی کرد و با اصلاح هندسه، افت فشار را تا چندین درصد کاهش داد.

برای نمونه، در یک مبدل حرارتی پوسته‌ولوله‌ای، با تغییر چیدمان بفل‌ها از نوع تک‌پره‌ای به دوپره‌ای، افت فشار از ۱۸٫۵ به ۱۴٫۲ کیلوپاسکال کاهش یافت، در حالی که ضریب انتقال حرارت کلی ثابت ماند. چنین اطلاعاتی بدون CFD قابل دستیابی نیست.

۱۴.۳. افزایش انتقال حرارت

CFD ابزار مؤثری برای بررسی روش‌های افزایش انتقال حرارت (Heat Transfer Enhancement) است. مهندسان می‌توانند تأثیر پره‌ها، زائده‌های توربولانس‌زا یا جریان متناوب را بررسی کنند تا ضریب جابه‌جایی را افزایش دهند.

در یکی از مطالعات، افزودن پره‌های مارپیچی در لوله داخلی مبدل باعث افزایش عدد ناسلت از ۸۵ به ۱۳۲ شد که معادل افزایش ۵۵٪ی انتقال حرارت است. با این حال، CFD همچنین نشان داد که افت فشار نیز ۲۵٪ افزایش یافته است. این تحلیل‌ها به طراح اجازه می‌دهد بین راندمان حرارتی و افت فشار تعادل برقرار کند.

۱۴.۴. مقایسه مدل‌های جریان

در مبدل‌های حرارتی با جریان متقاطع یا پوسته‌ولوله‌ای، انتخاب مدل مناسب توربولانسی (مانند k-ε، SST یا RNG) اهمیت زیادی دارد. CFD امکان مقایسه بین این مدل‌ها را فراهم می‌کند تا دقیق‌ترین نتایج انتخاب شود. معمولاً مدل RNG k-ε برای کاربردهای صنعتی مناسب‌ترین گزینه است، زیرا دقت بالایی در افت فشار و نرخ اختلاط دارد.

۱۴.۵. تحلیل انتقال حرارت تابشی

در برخی کاربردها مانند مبدل‌های گازی یا خشک‌کن‌های صنعتی، تابش سهم زیادی در انتقال حرارت دارد. CFD می‌تواند معادله انتقال تابش (RTE) را به همراه مدل‌های تابشی مانند DO یا P1 حل کند تا اثرات تابشی در دیواره‌ها محاسبه شود.

۱۵. CFD در برج‌های خنک‌کننده (Cooling Towers)

برج خنک‌کننده از اجزای کلیدی سیستم‌های سرمایشی بزرگ است. عملکرد آن بر اساس تبخیر جزئی آب در تماس با جریان هواست. CFD به مهندسان این امکان را می‌دهد تا جریان هوا، توزیع دما، رطوبت و راندمان تبخیر را با دقت بالا شبیه‌سازی کنند.

۱۵.۱. مدل‌سازی جریان چندفازی

در CFD برج‌های خنک‌کننده، از مدل‌های چندفازی مانند Eulerian-Lagrangian یا VOF برای شبیه‌سازی برخورد قطرات آب با جریان هوا استفاده می‌شود. این تحلیل می‌تواند محل مناسب نازل‌ها، سرعت فن‌ها و زاویه پاشش را تعیین کند.

برای مثال، در یک برج خنک‌کننده با دبی ۸۰۰ m³/h، CFD نشان داد که تغییر زاویه پاشش از ۲۵° به ۳۵° موجب افزایش ۹٪ی راندمان خنک‌کاری می‌شود، زیرا اختلاط هوا و آب بهینه‌تر می‌گردد.

۱۵.۲. تحلیل دما و تبخیر

CFD قادر است توزیع دمای هوای ورودی و خروجی را در ارتفاع برج نمایش دهد. در پروژه‌ای واقعی، دمای هوای خروجی از ۴۱°C به ۳۴°C کاهش یافت که معادل افزایش ۲۲٪ در راندمان برج بود.

مدل‌های CFD همچنین می‌توانند تلفات آب ناشی از تبخیر و قطرات معلق (Drift Losses) را تخمین بزنند و اثر طراحی قطره‌گیرها را بررسی کنند.

۱۵.۳. بررسی الگوی جریان در فن‌ها

در برج‌های خنک‌کننده مکانیکی، CFD به شناسایی توزیع سرعت در فن و تأثیر هندسه پره‌ها کمک می‌کند. در یک مطالعه صنعتی، اصلاح شکل پره‌های فن باعث افزایش دبی جریان به میزان ۱۲٪ و کاهش توان مصرفی موتور به میزان ۸٪ شد.

۱۵.۴. تأثیر شرایط محیطی

CFD همچنین می‌تواند اثر شرایط اقلیمی مانند دمای محیط، رطوبت نسبی و جهت باد را بر عملکرد برج بررسی کند. برای مثال، در مناطق بادخیز، ورود جریان عرضی (Crosswind) می‌تواند راندمان برج را تا ۱۵٪ کاهش دهد. CFD راهکارهایی مانند دیواره‌های محافظ یا تغییر زاویه ورودی هوا را پیشنهاد می‌دهد.

۱۶. بهینه‌سازی طراحی با CFD

با ترکیب CFD و الگوریتم‌های بهینه‌سازی مانند Genetic Algorithm (GA) یا Response Surface Methodology (RSM)، مهندسان می‌توانند هندسه و پارامترهای عملکردی سیستم را به‌صورت خودکار بهینه کنند.

در یک پروژه صنعتی مربوط به نیروگاه سیکل ترکیبی، CFD همراه با GA توانست طراحی برج خنک‌کننده را به گونه‌ای اصلاح کند که دمای آب خروجی از ۳۲ به ۲۹ درجه سانتی‌گراد کاهش یافت، در حالی که توان فن‌ها ۱۰٪ کمتر شد.

جمع‌بندی: CFD در طراحی مبدل‌ها و برج‌های خنک‌کننده، ابزاری بی‌رقیب برای افزایش بازده، کاهش مصرف انرژی و پیش‌بینی دقیق رفتار حرارتی است. تحلیل‌های عددی، جایگزین آزمون‌های پرهزینه می‌شوند و به مهندسان امکان می‌دهند با دقتی بی‌سابقه، فرآیندهای حرارتی را کنترل و بهینه‌سازی کنند.

۱۷. تحلیل CFD در سیستم‌های انتقال هوا و کانال‌کشی

در سیستم‌های تهویه مطبوع، طراحی شبکه کانال‌کشی (Duct Network) از حیاتی‌ترین مراحل مهندسی است. توزیع نابرابر جریان، افت فشار بالا و نویز صوتی از چالش‌های اصلی طراحی هستند. استفاده از CFD در این مرحله، امکان مشاهده و بهینه‌سازی دقیق رفتار جریان را پیش از ساخت فراهم می‌کند.

۱۷.۱. بررسی یکنواختی توزیع جریان

یکی از مهم‌ترین اهداف طراحی کانال، حفظ یکنواختی جریان در شاخه‌های مختلف است. در روش‌های سنتی، طراح تنها از روابط تجربی برای تنظیم ابعاد کانال استفاده می‌کند، اما CFD توزیع دقیق سرعت و فشار را در تمامی شاخه‌ها محاسبه کرده و نواحی دارای کمبود دبی را مشخص می‌سازد.

در یک پروژه بیمارستانی، شبیه‌سازی CFD نشان داد که به‌دلیل وجود یک زانوی ۹۰ درجه در مسیر اصلی، ۲۲٪ از جریان به شاخه دوم نمی‌رسید. با اصلاح شعاع خم و استفاده از دمپر تنظیمی، جریان متعادل شد و اختلاف دبی بین شاخه‌ها از ۲۲٪ به کمتر از ۵٪ کاهش یافت.

۱۷.۲. افت فشار و تحلیل انرژی

CFD ابزار دقیقی برای بررسی افت فشار در شبکه کانال‌هاست. در این تحلیل، از معادله ناویر–استوکس برای محاسبه گرادیان فشار و مقاومت اصطکاکی استفاده می‌شود. در شرایطی که زانویی‌ها، انشعابات و اتصالات پیچیده وجود دارند، محاسبات دستی خطای زیادی دارد و CFD نتایج بسیار دقیق‌تری ارائه می‌دهد.

به‌عنوان مثال، در یک سیستم صنعتی با کانال‌های طولانی، CFD نشان داد که استفاده از اتصال سه‌راهی گرد به‌جای مستطیلی، افت فشار کل را از ۱۷۰ به ۱۳۲ پاسکال کاهش می‌دهد — که منجر به صرفه‌جویی سالانه ۷٪ در توان فن شد.

۱۷.۳. مدل‌سازی نویز و ارتعاش

در سیستم‌های تهویه اداری یا آزمایشگاهی، صدای ناشی از جریان هوا در کانال‌ها یکی از مشکلات رایج است. CFD می‌تواند منابع تولید نویز را از طریق مدل‌سازی توربولانس شناسایی کند.

مدل‌های LES (Large Eddy Simulation) و Acoustic Analogy برای شبیه‌سازی آکوستیکی جریان به‌کار می‌روند. با این روش‌ها، می‌توان مناطق تولید گردابه‌های شدید را پیدا کرد و طراحی هندسه را به نحوی اصلاح کرد که انرژی آکوستیکی به حداقل برسد.

در پروژه‌ای برای یک دانشگاه، شبیه‌سازی CFD نشان داد که صدای مزاحم ناشی از انشعاب خروجی، مربوط به برخورد جریان با دمپر نیمه‌باز است. با تغییر موقعیت دمپر و افزودن شبکه آرام‌ساز، شدت صوت از ۶۲ به ۴۷ دسی‌بل کاهش یافت.

۱۷.۴. بررسی جریان‌های متقاطع و ناپایدار

در سیستم‌های بزرگ، به‌ویژه در ساختمان‌های بلندمرتبه، جریان‌های برگشتی و متقاطع (Crossflow) می‌توانند عملکرد سیستم را مختل کنند. CFD امکان تحلیل این پدیده‌ها را در شرایط واقعی فراهم می‌کند، به‌ویژه زمانی که چندین فن یا شاخه در تعامل هستند.

تحلیل CFD در یک برج اداری نشان داد که در ساعات اوج بار، به‌دلیل افت فشار غیریکنواخت، بخشی از هوای خروجی از یک طبقه به طبقات دیگر نفوذ می‌کرد. با اصلاح طراحی شفت تهویه و افزودن دریچه‌های یک‌طرفه، این مشکل به‌طور کامل برطرف شد.

۱۷.۵. تحلیل جریان تراکم‌پذیر

در سیستم‌های با سرعت بالا (بیش از ۳۰ متر بر ثانیه) یا کانال‌های گازی، اثر تراکم‌پذیری هوا اهمیت پیدا می‌کند. CFD با استفاده از مدل‌های جریان تراکم‌پذیر (Compressible Flow) می‌تواند تغییرات چگالی و دمای موضعی را لحاظ کند، که این موضوع در طراحی کانال‌های اگزوز و سیستم‌های تهویه صنعتی حیاتی است.

در یک نیروگاه گازی، CFD نشان داد که در مسیر اگزوز، گرادیان دما تا ۸۰°C و گرادیان فشار تا ۵٪ وجود دارد. با اصلاح هندسه و افزودن انبساط تدریجی، تنش حرارتی در دیواره‌ها تا ۳۵٪ کاهش یافت.

۱۷.۶. بهینه‌سازی توزیع دریچه‌ها و دریچه‌های برگشت

در فضاهای اداری و سالن‌های بزرگ، نحوه چیدمان دریچه‌های تأمین و برگشت هوا تأثیر زیادی بر آسایش حرارتی دارد. CFD می‌تواند مناطق با دمای بالا، سرعت بیش‌ازحد و مسیرهای برگشتی را نشان دهد.

در پروژه‌ای مربوط به یک سالن اجتماعات، CFD نشان داد که دریچه‌های تأمین در نزدیکی سقف باعث تشکیل لایه هوای گرم در بالای سر حضار شده است. با تغییر زاویه پخش و نصب دیفیوزرهای خطی، توزیع دما در کل فضا بهبود یافت و نوسان دما از ۳٫۲°C به ۱٫۱°C کاهش پیدا کرد.

۱۸. بررسی اثرات گرمایش و سرمایش موضعی

در بسیاری از سیستم‌های تهویه، استفاده از سرمایش یا گرمایش موضعی برای صرفه‌جویی در انرژی رایج است. CFD امکان تحلیل دقیق تأثیر این سیستم‌ها بر میدان دما و جریان را فراهم می‌کند.

به‌عنوان مثال، در شبیه‌سازی CFD برای یک کارخانه تولید قطعات الکترونیکی، مشخص شد که نصب کویل‌های سرمایش موضعی در کنار خطوط تولید، دمای موضعی را ۴°C کاهش می‌دهد بدون اینکه سیستم مرکزی نیاز به افزایش توان داشته باشد.

همچنین CFD می‌تواند نحوه اختلاط جریان‌های با دماهای مختلف را نشان دهد و از بروز نوسان حرارتی جلوگیری کند — امری که در تهویه صنعتی و بیمارستانی حیاتی است.

۱۸.۱. تحلیل جریان در سیستم‌های تهویه جابجایی (Displacement Ventilation)

در این نوع سیستم‌ها، هوای خنک با سرعت پایین از کف وارد شده و هوای گرم از بالا خارج می‌شود. CFD به‌خوبی می‌تواند مسیرهای حرکتی جریان و الگوی دمایی را نمایش دهد.

در یک شبیه‌سازی CFD از سالن کنفرانس، مشخص شد که توزیع جریان در ارتفاع ۱٫۲ متر از سطح زمین بهینه نیست. با تغییر محل ورودی‌ها به دیواره‌ها، توزیع یکنواخت دما حاصل شد و آسایش حرارتی بر اساس شاخص PMV = +0.3 حفظ شد.

جمع‌بندی: CFD در طراحی کانال‌ها و سیستم‌های تهویه، نه تنها برای کاهش افت فشار و نویز بلکه برای بهبود آسایش حرارتی، توزیع یکنواخت جریان و صرفه‌جویی در انرژی کاربرد حیاتی دارد. این فناوری، دیدی سه‌بعدی از رفتار واقعی جریان در اختیار مهندسان قرار می‌دهد — چیزی که هیچ روش تحلیلی یا آزمایشی سنتی قادر به انجام آن نیست.

۱۹. CFD در تهویه طبیعی و جریان هوای شهری

تهویه طبیعی (Natural Ventilation) یکی از مؤثرترین روش‌ها برای کاهش مصرف انرژی در ساختمان‌هاست. این روش بر اساس نیروی شناوری حرارتی و فشار باد عمل می‌کند. CFD ابزار کلیدی برای تحلیل رفتار جریان هوا در داخل و اطراف ساختمان‌هاست و امکان بهینه‌سازی تهویه طبیعی را پیش از اجرای واقعی فراهم می‌سازد.

۱۹.۱. اصول تهویه طبیعی و مدل‌سازی CFD

در تهویه طبیعی، دو مکانیسم اصلی وجود دارد: اثر دودکشی (Stack Effect) و اثر باد (Wind-driven Flow). CFD قادر است این دو پدیده را به‌صورت هم‌زمان مدل‌سازی کند. در مدل‌سازی، باید شرایط مرزی باد محیطی، دمای داخلی، بازشوهای پنجره و مسیر جریان هوا تعریف شوند.

برای مثال، در یک ساختمان اداری با ارتفاع ۱۵ متر، CFD نشان داد که بازکردن پنجره‌های رو‌به‌باد در طبقات پایین و خروجی هوا در پشت‌بام، نرخ تهویه طبیعی را از ۴ به ۹ تعویض هوا در ساعت (ACH) افزایش می‌دهد — بدون نیاز به فن مکانیکی.

۱۹.۲. تحلیل جریان اطراف ساختمان‌ها

در محیط‌های شهری، توزیع باد و الگوهای جریان در اطراف ساختمان‌ها تأثیر مستقیمی بر تهویه و انتقال حرارت دارند. CFD با مدل‌سازی جریان در مقیاس شهری (Urban CFD)، امکان تحلیل اثر جهت باد، ارتفاع ساختمان‌ها، و وجود موانع را فراهم می‌کند.

در یک پروژه مربوط به طراحی برج‌های مسکونی در دبی، CFD نشان داد که برج‌های نزدیک به هم موجب ایجاد منطقه رکود جریان (Recirculation Zone) در تراز پایین شده‌اند که تهویه طبیعی طبقات اول را مختل می‌کند. با افزایش فاصله بین برج‌ها به دو برابر ارتفاع، سرعت میانگین باد در سطح زمین از ۰٫۸ به ۲٫۲ متر بر ثانیه افزایش یافت.

۱۹.۳. مدل‌سازی میدان باد شهری

CFD می‌تواند با وارد کردن داده‌های اقلیمی (مانند داده‌های ایستگاه هواشناسی یا فایل‌های EPW)، میدان باد واقعی در شهر را بازسازی کند. با استفاده از مدل‌های توربولانسی مانند RNG k–ε یا LES، الگوی جریان در میان ساختمان‌ها، خیابان‌ها و فضاهای باز شبیه‌سازی می‌شود.

در تحلیل CFD از بافت متراکم شهری تهران، مشخص شد که طراحی نامناسب ارتفاع ساختمان‌ها باعث کاهش تهویه عرضی و افزایش دمای موضعی تا ۴°C در برخی معابر شده است. با پیشنهاد بازشوهای عمودی بین بلوک‌ها، تهویه طبیعی ۲۵٪ بهبود یافت.

۱۹.۴. تهویه متقاطع در ساختمان‌ها (Cross Ventilation)

CFD قادر است توزیع جریان هوای عبوری از بازشوها را در پلان‌های مختلف ساختمان نمایش دهد. در شبیه‌سازی سه‌بعدی یک ساختمان آموزشی، مشخص شد که وجود دیوارهای داخلی مانع عبور جریان متقاطع شده است. با تغییر طراحی و افزودن پنجره‌های بالای درها، جریان هوا در عمق فضا از ۰٫۲ به ۰٫۵ متر بر ثانیه افزایش یافت.

۱۹.۵. اثرات حرارتی (Thermal Buoyancy)

در شرایطی که اختلاف دما بین داخل و خارج زیاد است، نیروی شناوری ناشی از گرادیان چگالی هوا بر تهویه اثر می‌گذارد. CFD با استفاده از مدل Boussinesq Approximation می‌تواند این پدیده را با دقت بالا مدل کند.

در یک پروژه کتابخانه عمومی، CFD نشان داد که اختلاف دمای ۸°C بین فضای مطالعه و راهرو بالایی باعث ایجاد جریان طبیعی صعودی می‌شود. با تعبیه خروجی در سقف، دمای متوسط فضا ۲°C کاهش یافت و آسایش حرارتی افزایش یافت.

۱۹.۶. CFD و تهویه ترکیبی (Hybrid Ventilation)

در ساختمان‌های مدرن، معمولاً تهویه طبیعی با سیستم‌های مکانیکی ترکیب می‌شود تا در فصول مختلف عملکرد بهینه‌ای حاصل شود. CFD امکان بررسی عملکرد این ترکیب را در سناریوهای مختلف فراهم می‌کند.

به‌عنوان مثال، در یک ساختمان اداری با سیستم تهویه ترکیبی، CFD نشان داد که با تنظیم کنترل خودکار پنجره‌ها و فن‌ها، مصرف انرژی تهویه تا ۳۵٪ کاهش می‌یابد و شاخص آسایش حرارتی (PMV) در محدودهٔ ایده‌آل بین -۰٫۵ تا +۰٫۵ حفظ می‌شود.

۲۰. اثرات جزیره حرارتی شهری و CFD

یکی از مهم‌ترین کاربردهای CFD در مقیاس شهری، تحلیل پدیده Urban Heat Island (جزیره حرارتی شهری) است. این پدیده ناشی از تجمع حرارت در مناطق شهری به‌دلیل سطوح آسفالتی، تراکم ساختمان‌ها و کمبود پوشش گیاهی است.

CFD می‌تواند با شبیه‌سازی میدان دما، تابش خورشیدی، انعکاس سطح و هدایت حرارتی مصالح، نقشه حرارتی شهر را تولید کند. در مطالعات انجام‌شده بر روی شهر مادرید، CFD نشان داد که دمای شبانه در مناطق متراکم شهری تا ۵°C بیشتر از مناطق حومه است. با افزودن بام‌های سبز و پوشش‌های بازتابنده، این اختلاف به ۲٫۸°C کاهش یافت.

این نوع تحلیل‌ها، به طراحان شهری و معماران کمک می‌کند تا با تصمیمات هوشمندانه مانند انتخاب مصالح با ضریب بازتاب بالا یا افزایش فضای سبز، دمای محیط را کنترل کنند.

۲۰.۱. نقش CFD در طراحی اقلیمی شهری

CFD در کنار داده‌های اقلیمی و GIS می‌تواند مبنای طراحی شهری پایدار باشد. با تحلیل جریان باد و تابش خورشید، موقعیت مناسب برای ساختمان‌ها، مسیرهای تهویه و سایه‌اندازها مشخص می‌شود. این تحلیل‌ها به کاهش مصرف انرژی در مقیاس شهری کمک می‌کنند.

به‌عنوان نمونه، در طرح توسعه شهری ابوظبی، CFD نشان داد که با تغییر جهت‌گیری بلوک‌ها نسبت به باد غالب، سرعت متوسط جریان بین بلوک‌ها ۳۵٪ افزایش یافته و مصرف انرژی تهویه در ساختمان‌های مسکونی تا ۲۲٪ کاهش یافته است.

جمع‌بندی: CFD ابزاری حیاتی در طراحی تهویه طبیعی، تحلیل باد شهری و کنترل دمای محیط است. از مقیاس یک اتاق تا یک شهر، این فناوری به مهندسان و طراحان امکان می‌دهد تا تصمیم‌های مبتنی بر داده بگیرند و محیطی سالم‌تر، خنک‌تر و پایدارتر ایجاد کنند.

۲۱. ادغام CFD با BIM و طراحی پارامتریک

با گسترش فناوری مدل‌سازی اطلاعات ساختمان (BIM)، رویکرد سنتی طراحی سیستم‌های تهویه مطبوع جای خود را به روش‌های هوشمند داده‌محور داده است. ادغام CFD با BIM امکان تحلیل جریان هوا و انتقال حرارت را در مراحل اولیه طراحی فراهم می‌کند، بدون نیاز به وارد کردن داده‌ها به‌صورت دستی در نرم‌افزارهای جداگانه.

۲۱.۱. مفهوم BIM–CFD Integration

مدل‌های BIM شامل تمامی اطلاعات هندسی، مصالح، و تجهیزات ساختمان هستند. با اتصال مستقیم این مدل‌ها به نرم‌افزارهای CFD (مانند Ansys Fluent یا OpenFOAM)، شبیه‌سازی‌های جریان هوا و حرارت می‌توانند به‌صورت خودکار اجرا شوند. این فرآیند، زمان تحلیل را تا ۶۰٪ کاهش می‌دهد و از خطاهای انسانی در ورود داده‌ها جلوگیری می‌کند.

برای نمونه، در یک پروژه بیمارستانی، اتصال مدل Revit به Ansys باعث شد تا مهندسین بتوانند تحلیل جریان در اتاق عمل را در کمتر از ۲ ساعت انجام دهند، در حالی که در روش سنتی این زمان بیش از ۶ ساعت بود.

۲۱.۲. طراحی پارامتریک و بهینه‌سازی هندسی

در طراحی پارامتریک، پارامترهایی مانند ابعاد کانال، موقعیت دریچه، سرعت هوا و توان سرمایش به‌صورت متغیر تعریف می‌شوند. با اتصال CFD به ابزارهای طراحی پارامتریک مثل Grasshopper یا Dynamo، مهندسان می‌توانند به‌صورت خودکار صدها سناریوی مختلف را تحلیل و بهترین ترکیب را انتخاب کنند.

در پروژه طراحی موزه ملی، با استفاده از الگوریتم ژنتیک در Dynamo، بیش از ۴۰۰ حالت مختلف جریان بررسی شد و طراحی نهایی باعث کاهش افت فشار تا ۱۸٪ و بهبود یکنواختی دما تا ۲٫۵°C نسبت به حالت اولیه شد.

۲۱.۳. Workflow خودکار بین Revit و CFD

در بسیاری از شرکت‌های مهندسی، یک گردش‌کار استاندارد ایجاد شده است که در آن مدل Revit مستقیماً به نرم‌افزار CFD لینک می‌شود. فرآیند به‌صورت زیر است:

• مدل هندسی در Revit ساخته و متریال‌ها و خواص فیزیکی به هر جزء اختصاص داده می‌شود.
• از طریق پلاگین‌هایی مانند SimScale Revit Plugin یا Autodesk CFD Connector، مدل به‌صورت مستقیم به CFD منتقل می‌شود.
• نتایج تحلیل (مانند توزیع دما و سرعت) به Revit بازگردانده می‌شود تا در مستندات طراحی نمایش یابد.

این گردش‌کار باعث می‌شود ارتباط بین طراح و تحلیلگر از بین نرود و فرآیند طراحی–تحلیل به‌شکل هم‌زمان (Concurrent Design) انجام شود.

۲۱.۴. ارتباط CFD با طراحی پارامتریک شهری

در پروژه‌های بزرگ‌تر مانند شهرک‌ها یا کمپوس‌های صنعتی، CFD می‌تواند با مدل‌های پارامتریک شهری ترکیب شود تا مسیر جریان باد، دمای موضعی و توزیع آلاینده‌ها تحلیل گردد. این فرآیند معمولاً با نرم‌افزارهایی مانند Rhino، Grasshopper و Ladybug Tools انجام می‌شود.

برای مثال، در طراحی شهرک فناوری قطر، CFD و الگوریتم‌های پارامتریک به‌طور هم‌زمان برای تعیین مسیر باد غالب استفاده شدند. در نتیجه، تهویه طبیعی در کل سایت بهبود یافت و دمای سطح پیاده‌روها به‌طور میانگین ۳٫۲°C کاهش یافت.

۲۱.۵. بهینه‌سازی چندهدفه (Multi-Objective Optimization)

یکی از پیشرفته‌ترین کاربردهای CFD و طراحی پارامتریک، بهینه‌سازی چندهدفه است؛ یعنی یافتن بهترین طراحی با درنظرگرفتن چند شاخص مانند مصرف انرژی، آسایش حرارتی و هزینه ساخت. برای این منظور از الگوریتم‌های تکاملی مانند NSGA-II یا الگوریتم‌های یادگیری ماشین استفاده می‌شود.

در پروژه‌ای برای طراحی مرکز داده، CFD و الگوریتم NSGA-II باهم استفاده شدند تا بهینه‌ترین چیدمان رک‌ها، مسیر جریان و زاویه فن‌ها تعیین شود. نتیجه نشان داد که توان سرمایشی مورد نیاز تا ۲۴٪ کاهش یافته و یکنواختی دمای رک‌ها تا ۹۸٪ بهبود پیدا کرده است.

۲۱.۶. مزایا و چالش‌های BIM–CFD

۲۱.۷. آینده BIM–CFD

در آینده، مدل‌های BIM هوشمند می‌توانند خود به‌صورت خودکار تحلیل CFD انجام دهند. با پیشرفت پردازش ابری و مدل‌های هوش مصنوعی، اجرای CFD از یک فرآیند مهندسی پیچیده به بخشی از روند روزمره طراحی تبدیل خواهد شد.

پلتفرم‌های ابری مانند SimScale، Autodesk CFD Cloud و Ansys Discovery Live، این روند را آغاز کرده‌اند؛ به‌طوری‌که طراح می‌تواند تنها با یک کلیک، تحلیل جریان یا دما را در محیط سه‌بعدی مدل مشاهده کند.

جمع‌بندی: ادغام CFD با BIM و طراحی پارامتریک، آینده‌ی مهندسی تهویه و انرژی ساختمان است. این رویکرد باعث می‌شود تصمیم‌های طراحی نه بر پایه حدس و تجربه، بلکه بر اساس داده و تحلیل علمی اتخاذ شوند.