CFD (Computational Fluid Dynamics) Nedir?

CFD (Computational Fluid Dynamics), mühendislik uygulamalarında sıklıkla kullanılan bir akış analizlerini birçok nümerik denklemlerle çözümleyen bir metottur. Bu yazımızda CFD kavramını, tarihçesini ve nerelerde kullanıldığını sizler için derledik.

CFD Nedir?

CFD (Computational Fluid Dynamics) yani HAD (Hesaplamalı Akışkan Dinamiği) anlamına gelen akışkan akışı, ısı transferi ve kimyasal reaksiyonlar gibi sistemlerin bilgisayar tabanlı simülasyonu ile analizidir. Bu yöntem birçok endüstriyel ve endüstriyel olmayan uygulamalarda yaygın bir şekilde kullanılmaktadır.

CFD, akışkanların analizini matematiksel metotlarla ve belirli algoritmalarla bilgisayar üzerinde gerçekleştirerek sonuçları bize simülasyon olarak aktaran bir disiplindir. CFD bir bilgisayar programı değil, sadece ANSYS gibi akış analiz programlarında kullanılan bir metottur.

Bir mühendis, örneğin uçak veya otomobil dizayn etmek istediğinde aerodinamik mühendislik prosesinde çok önemli bir rol oynar. Ancak, aerodinamik prosesler kolaylıkla ölçülebilir değildir. Genellikle mühendisler için tek yol dizaynlarını optimize ederek, ürünün prototipi üzerinde testler gerçekleştirmektir. Bilgisayar teknolojisinin yaygınlaşmasıyla Hesaplamalı Akışkan Dinamiği yani CFD akışkan akışları için yaygın olarak kullanılmaya başlandı. CFD analizinde akışkan akışının incelenmesi, akışkanın hızı, basıncı, sıcaklığı, yoğunluğu ve viskozitesi gibi fiziksel özelliklerine göre gerçekleştirildi.

CFD Nerelerde Kullanılır?

CFD mühendislik uygulamalarında çok önemli bir yere sahiptir. Bu yüzden de birçok alanda kullanılmaktadır. CFD’nin kullanıldığı bazı alanlar aşağıdaki gibidir.

• Hava ve kara araçlarının aerodinamik analizi
• Gemilerin hidrodinamik analizi
• Güç santralleri: içten yanmalı motorlarda yanma ve gaz türbinleri
• Turbomakineler
• Elektrik ve elektronik mühendisliğinde devre soğutma uygulamaları
• Kimya mühendisliği
• Binaların iç ve dış cephelerinde rüzgar yükü ve ısıtma/havalandırma uygulamaları
• Gemi mühendisliği
• Çevre mühendisliğinde kirleticilerin dağılımının analizi
• Hidroloji ve okyanus biliminde nehirlerin ve okyanusların akış analizi
• Biyomedikal mühendisliğinde kanın damar ve atar damarlarda akış analizi

Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Tarihi

CFD’nin tarihi çok eskilere dayanıyor. Her ne kadar bilgisayarların yaygınlaşmasıyla bu metodun oluştuğu bilinse de aslında CFD’nin doğuşu kullanılan matematiksel metotların keşfi ile çok daha eskiye dayanıyor.

Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği CFD’nin kısa tarihi aşağıdaki gibidir.

1910-1940 : El hesaplamasına dayanan nümerik çözümlerin üretilmesini sağlayan modellerin geliştirilmesi.

1940-1950 : İlk bilgisayarlar ile bilgisayar tabanlı hesaplamalara geçiş. 1953 yılında Kawaguti tarafından bir mekanik masa hesap makinesi ile silindirin etrafındaki akışın çözümlenmesi.

1950-1960 : Bilgisayarların kullanılmasıyla yapılan ilk çalışma, ABD’de Los Alamos Ulusal Laboratuvarında yapılan Navier-Stokes denklemlerine dayanan bir akışkan akışı modeli olmuştur. Bu çalışma vositinin değerlendirilmesi ve akış fonksiyon metodudur. Bu iki boyutlu, süreksiz sıkıştırılamaz akışkanlar üzerine dünyada yapılmış ilk çalışmadır.

1960-1970 : İlk bilimsel makale ise “Rastgele parçaların akış potansiyelinin hesaplanması” ismiyle 1967 yılında Hess ve Smith tarafından yayınlanmıştır. Ticari kodların geliştirilmesi, k- ε türbulans modeli, Lagrangian-Eulerian gibi hala kullanılan çeşitli metotlara bu dönemde katkı sağlanmıştır.

1970 – 1980 : CFD analizleri için çeşitli kodlar Boeing,NASA gibi kurumlar tarafından denizcilik, hava araçları, helikopterler ve otomobiller tarafından kullanılmak üzere geliştirmişlerdir.

1980-1990 : Üç boyutta transonik akışların kesin sonuçları Jameson tarafından geliştirilmiştir. Ticari kodlar akademik ve endüstriyel alanlar ile uygulanmaya başlamıştır.

1990-Günümüz : İnformatik alanındaki gelişmelerle CFD’nin her sektörde görsel olarak dünya çapında kullanımı başlamıştır.

CFD ile yapılan uygulamalar ANSYS-Fluent gibi bilgisayar arayüzleriyle günümüzde giderek artmaktadır. CFD ile gerçeğe çok yakın analizler yapıldığı için deney ve prototip testleri maliyetlerini de büyük ölçüde azaltmış bu da dolaylı olarak ürünlerin fiyatını düşürmüştür.

CFD (Computational Fluid Dynamics) ile ilgili merak ettiğiniz her şeyi yorum kısmında bizlere sorabilirsiniz.