دینامیک سیالات محاسباتی یا [1](CFD) در کنار مدلسازی اطلاعات ساختمان می‌تواند در تمامی حوزه‌های طراحی ساختمان نقشی اساسی ایفاء کند. این امر با ارائه محاسبات دقیق از عملکرد ساختمان در مورد گردش هوا، درجه حرارت، فشار و یا پارامترهای مشابه دیگر و با صرف زمان کم صورت می‌پذیرد. در این مقاله به بررسی مزایای نرم‌افزارهای CFD به‌عنوان یک ابزار کمکی پرداخته می‌شود. این ابزار کمکی، پلی میان معماری و مهندسی پروژه می‏زند و طراحی‌های ساختمانی را برای معماران، مهندسین تهویه مطبوع و آن‌دسته افرادی که مایلند تا طراحی‌ها را بهتر بهینه‌سازی کنند، ایجاد می‏کند.

درک اینکه چگونه تأثیرات محیطی همچون جریان‌های هوایی داخلی و خارجی بر ساختمان‌ها تأثیر می‌گذارند، عامل مهمی در طراحی معماری است. امروزه به دلیل افزایش پیچیدگی ساختمان‌ها بر اهمیت این موضوع نیز افزوده شده است و راهکارهای مختلفی برای بهبود عملکرد ساختمان‌ها در مقابل تأثیرات محیطی مورد استفاده قرار می‌گیرد. یکی از این راهکارها توجه به “دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)” است که در حوزه‌های مختلفی از جمله ارزیابی ماشین‌های مسابقات فرمول یک گرفته تا بررسی و توسعه طراحی‏های فنی و حتی بررسی جنس لباس شناگرها ورود پیدا می‏کند.

فعالان حوزه صنعت ساخت‌وساز نیز از این فناوری برای مدلسازی مطلوب خود استفاده کرده‌اند. فهرست زیر چکیده‌ای از مزیت‌هایی است که فعالان ساخت‌وساز می‌توانند از این فناوری به دست آورند:

احساس آسودگی ساکنین در مورد دمای محیط؛

بررسی توزیع شرایط محیطی داخل یک فضا؛

اثربخشی تهویه مطبوع (شامل تاثیر دودکش‌‏ها یا هواکش‏‌ها)؛

تشخیص تلفات گرما از طریق دیوارها یا شیشه‌های بیرونی؛

اثربخشی ورودی‌های هوا، استخراج کننده‌ها و رادیاتورها؛

تقویت گرما در فضاهای مهم؛

تثبیت موقعیت حسگرها برای شناسایی گرما یا سرما؛

تثبیت موقعیت تجهیزات اصلی تهویه هوا و گرمایش یا سرمایش؛

میزان باد یا نیروهای تحمیلی قابل تحمل بر یک ساختمان؛

تأثیر یک ساختمان جدید بر جابجایی هوای اطراف یک کارگاه ساختمانی؛

در گذشته استفاده از علم “دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)” با موانع زیادی روبرو بود. از جمله آن می‏‌توان به نیاز به داشتن مجوزهای مربوطه، نیاز به سخت‏‌افزارهای قوی، نیاز به کار با استفاده از معادلات پیچیده و فضایی که در آن فضا می‌بایست محاسبات انجام گیرد و… اشاره نمود که همه و همه منجر به آن می‏‌شد که توان بالایی به این امر اختصاص یابد. اما امروزه شرکت‌هایی در این حوزه برای ایجاد راهکارهایی برحسب نیاز کاربران دایر شده است. این شرکت‌ها امکان استفاده کاربر از مدل را با ایجاد کدشخصی و رابط گرافیکی کاربر (GUI) ایجاد می‌کنند.

اعتبارسنجی فرآیند طراحی ساختمان

از آنجایی که دامنه برنامه‌های کاربردی “دینامیک سیالات محاسباتی” در حال افزایش است، روش‌های جدیدی مطرح شده‌اند که به کاربرد آن هم در “مهندسی معماری” و هم در “طراحی دما و تهویه مطبوع” یاری می‌رسانند. نرم افزار دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) بطور گسترده برای ارزیابی محیط داخلی ساختمان و همچنین تأثیرمتقابل آن محیط با پوشش ساختمان بکار می‌رود.

بر اساس نظر انجمن معماران آمریکا [۲](AIA)، پروژه‌های طراحی و ساخت معمولاً دارای فازهای متعدد یا همان “پنج فاز طراحی” هستند. در طی فاز اول، تصمیمات اساسی مختلفی بر طبق نیازهای انجام یک پروژه صورت می‌‏گیرد. این یک بخش مهم از فرآیند طراحی است و اغلب شامل ارائه انتظارات صریح و روشن ذی‌نفعان پروژه می‌گردد. به محض اینکه هدف مشخص می‌شود، قدم بعدی انجام طراحی‌های شماتیک/کلی خواهد بود. در طی این فاز است که طرح‌های آزمایشی، مستندات و دیگر وسایل برای شرح مفاهیم طراحی فراهم می‌شوند.

همچنین در طی همین فاز است که اغلب از “دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)” برای محاسبه جریان‌های هوا در داخل و اطراف ساختمان‏‌ها استفاده می‌شود. در این مرحله براساس نتایج حاصله برآورد می‏شود که آیا طراحی نیاز به اصلاح دارد یا خیر. این مراحل اغلب تکرار می‌شوند تا اطمینان حاصل شود که شرایط محیطی داخلی و خارجی رضایت بخش بوده و از تصمیمات اخذ شده توسط معماران و طراحان آگاهی کامل حاصل شود.

ابزارهای مقرون به صرفه و قابل دسترسی روش CFD انعطاف‌پذیری بیشتری را برای معماران در طول فرآیند طراحی فراهم می‌سازند. این ابزارها معماران را قادر می‏‌سازند تا طراحی‌ها را در سراسر این فرآیند و نه تنها در مرحله طراحی شماتیک به‌منظور اهداف اعتبارسنجی، شبیه‌سازی نمایند. این امر یک توسعه و پیشرفت مثبت برای تمام دست‏اندرکاران پروژه بشمار آمده و تضمین می‌سازد که طراحی نهایی بهترین آن چیزی است که می‌تواند باشد.

آمادگی برای حوادث جوی طبیعی

بلایای طبیعی و حوادث جوی نظیر گردبادها، زمین لرزه‌ها و ریزش خاک کوه‌ها علاوه بر آنکه سالیانه جان افراد کثیری را می‌گیرد، تأثیرات قابل توجهی نیز بر اقتصاد کشورها دارد که علت عمده آن نیاز به یاری رسانی در هنگام این بلایا و ترمیم و بازسازی ساختمان‌ها است.

تأثیرات حوادث جوی برروی ساختمان‌ها را نمی‌توان کوچک شمرد و نمی‌توان آن‌ها را با پی‌آمدهای جدی دیگر نظیر آسیب‏‌های سازه‏ای مختصر دیگر مقایسه نمود. بارهای آیرودینامیکی[۳] برروی سقف‌ها و دیوارهای ساختمان‌های کم‌ارتفاع توسط تأثیر متقابل جریان باد با سطح ساختمان مشخص می‌شود. این کنش و واکنش (تاثیر متقابل) اساساً به هندسه ساختمان و ویژگی‌های جریان باد بستگی دارد. در قدیم، مهندسان و معماران بندرت چنین فاکتورهایی را درنظر می‌گرفتند و بجای آن کلاً بر مراحل طراحی یا ساختاری یک طراحی ساختمان نظیر دیوارها، فونداسیون‏‌ها و سقف‌سازی تمرکز می‌کردند.

مدیریت خطرات کلان وارده به ساختمان‌ها توسط نیروی باد نیازمند سطح بالایی از اطلاعات در مورد نوع، میزان فشار باد و نوع جریان‌های هوایی است که احتمالاً ساختمان با آن روبرو می‌شوند. این اطلاعات قبلاً از طریق مجموعه محاسبات با مقیاس مناسب و یا آزمایش‌های تونل باد[۴] جمع‌آوری می‌گردید که هردوی این روش‌ها پرهزینه و زمان‌بر بودند. اما روش‌ “دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)” ابزاری سودمند برای پیش‌بینی جریان‏های متلاطم هوا برروی ساختمان‌ها و آگاهی از تصمیمات و تأثیرگذاری آنها بر طرح‌ها را ارائه می‏‌دهد.

از آنجایی که امروزه CFD در حال گسترش بوده و بیشتر در دسترس می‌شود، معماران و مهندسان قادر می‌شوند تا حوزه جریان باد اطراف یک ساختمان را شبیه‌سازی کرده و پارامترهای موردنظر خود نظیر سرعت و فشار وارده به علت وزش باد و حوزه‌های مربوط به مهندسی دما و حرارت را با موفقیت بررسی و پیش‌بینی نمایند. این امر می‌تواند به میزان زیادی منجر به آماده‌سازی ساختمان‌ها در برابر بلایای طبیعی و کاهش هزینه‌های تعمیر و بازسازی در نتیجه بروز چنین پیشامدهایی گردد.

بهینه‌سازی سیستم گرما و تهویه مطبوع (HVAC)

همانطور که در مقاله اخیر بررسی شد، شبیه‌سازی CFD در طراحی و بهینه‌سازی محیط‌های حساس از نظر تهویه مطبوع (HVAC) امری مهم است. این امر بخصوص برای پیش‌بینی عملکرد، ارائه اطلاعات و پارامترهای طراحی کلیدی تهویه مطبوع، اعتبارسنجی پارامترهای طراحی، و اصلاح سیستم‌های عملکرد بد و نادرست سیستم‌های تهویه مطبوع سودمند است. تعدادی از صنایع، الزامات خاصی را برای تهویه مطبوع قائل‌اند. به عنوان مثال می‏توان به اتاق پاک ( اتاقی عاری از آلودگی) و محل رشد گیاهان دارویی اشاره نمود.

 مهندسین تهویه مطبوع بیشتر و بیشتر به استفاده از روش CFD برای محاسبه الگوهای گردش هوا و درجه حرارت مکان‌ها براساس هندسه کامل سه‌بعدی روی آورده‏اند که نتیجه آن میزان دقت بیشتر در کار است. مثال‌های عملی آنالیز CFD در تهویه مطبوع بشرح زیر است:

طراحی سیستم‌‏های تهویه صنعتی؛

طراحی فضایی/دمایی استخرهای شنا؛

شبیه‌سازی دفاتر/فضاهای عمومی؛

طراحی هود گاز؛

کنترل آلودگی در یک منطقه حساس؛

مقاوم‌سازی فضا در برابر فشار جوی (فشار بالا)؛

خارج‌سازی عملی دود در اتاق‌هایی که استعمال دخانیات در آن‌ها آزاد است؛

شبیه‌سازی لوله تخلیه گاز و حریق در تونل‌ها و محوطه‌های پارکینگ؛

ارزیابی حرارتی مراکز داده و اتاق‌های سرور؛

شبیه‌سازی انتشار دود و حریق و و کاربرد سیستم اطفا حریق در ساختمان‌های قابل سکونت؛

آیا برای تست تونل باد جایگزینی وجود دارد

تست تونل باد در طول پنج دهه اخیر بطور گسترده‏ای برای صنعت و برنامه‌های تحقیقاتی بکار رفته است. بحث راجع به اینکه کدام یک از روش‌های “CFD” و یا “تست تونل باد” می‏تواند بهترین روش انجام کار برای معماران باشد، همچنان ادامه دارد. دو ملاک تهیه میزان قطعی اطلاعات مورد نیاز و همچنین درک محیطی که طراحی در آن انجام می شود، می‌‏تواند به این داوری کمک نماید.

تست تونل باد نیازمند مقدمات پرهزینه و ابزارآلات پیچیده برای سنجش طیف وسیعی از متغیرهای محل (سرعت حرکت باد، نیروی فشار وارده، شدت تلاطم و غیره) است. محدودیت اصلی این روش آن است که چنین سنجشی تنها از تعدادی موارد انتخابی در مقطع آزمایش و تست به‌دست می‌آید و اساساً فهم کلی فرآیندهای بنیادی و زودگذر پدیده‌های پیچیده و متغیر (نظیر گردبادهای نوسانی، جریان‌های گردابی و لایه‌بندی حرارتی) را محدود می‌سازد. علاوه بر آن، تست تونل باد اغلب می‌تواند برای افرادی که آن را انجام می‌دهند چالشی خطرناک یا غیرعملی باشد.

دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) در مقایسه با تست تونل باد مزایای بیشماری را ارائه می‌دهد. CFD علاوه بر ایجاد شبیه‌سازی با مقیاس کامل، به‌جای انجام آزمایش و یا شبیه‌سازی در مقیاس غیرواقعی، داده‌های جامع‌تری ارائه می‌کند که می‌توان آن‌ها را در آزمایشگاه، سنجید و نتایج آن را به‌شکل واضحی تجسم‌سازی نمود. به‌واسطه CFD شما می‌توانید مجموعه پارامترهای کامل از تعداد زیادی شبیه‌سازی را در یک زمان و در یک روز کاری به‌منظور ارزیابی یک مجموعه از طراحی‌های مختلف یا زوایای مختلف باد در ساختمان انجام دهید. علاوه بر آن نگرانی‌های مربوط به مصونیت‌های فیزیکی و محدودیت‌های عملی کاملاً از بین می‌روند.

آمادگی برای حوادث جوی طبیعی

CFD ابزاری برای بازاریابی

معماران و مهندسان می‌توانند از منابع شبیه‌سازی CFD به‌عنوان یک ابزار بازاریابی قدرتمند برای تأمین اهداف کارفرمایان و ایستادگی در برابر رقبا بهره‌گیرند.

ابزاری نظیر EXN/Aero، فضایی ابری که معماران و مهندسین را قادر ساخته بجای اخذ مجوزهای پرهزینه، درصورت نیاز به CFD دسترسی پیدا کنند. به این ترتیب کاربران می‌توانند نرم‌افزار شبیه‌سازی را در تنظیمات پیشنهادی خود گنجانده و از آن در صورت نیاز استفاده کنند. این کار بسیار مقرون به صرفه بوده و مشاوران تنها زمانی هزینه این نرم‌افزارها را می‌پردازند که به آن نیازمند شوند و معماران می‌توانند با تجسم‌سازی، میزان تأثیرگذاری عوامل محیطی را به کارفرمایان خود نشان دهند. به این ترتیب هزینه‌های کلی پروژه کاهش یافته و برنامه زمان‌بندی کمتر می‌شود.

نتیجه‌گیری: غلبه بر محدودیت‌ها

معماران، مشاوران و مهندسان در حوزه پیاده‌سازی ساختمان به دلیل تهیه و ارائه اطلاعات تفصیلی در طول فرآیند طراحی، به روش‌های طراحی و مهندسی CFD روی آورده‏اند. این بستر انعطاف‌پذیر و محیط تعاملی جهت طراحی، جهت تصمیم‌گیری در طراحی بسیار مناسب است. البته این امر در بخش‌های مختلف دیگر همچون هوافضا و صنعت اتومبیل نیز کاربردی است.

برنامه‌های کاربردی مقرون به‌صرفه و قابل دسترس CFD، معماران و متخصصان بیشتری که از CFD سررشته‌ای ندارند را تشویق نموده تا پذیرای آن شوند. “دینامیک سیالات محاسباتی” شامل موارد مثبت بسیاری می‌شود که در این مقاله به برخی از آنها اشاره شد. برخی دیگر از آن موارد مربوط به دانش و تجربه کاربر می‌شود، بخصوص جایی که نتایج شبیه‌سازی منجر به تصمیمات اساسی در کار باشد.

شرکت‌های فروش با ایجاد پلت‌فرم‌های مبتنی بر درک مستقیم به این موارد توجه کرده و آموزش‌هایی برای پشتیبانی و آگاه‌سازی آن دسته افرادی که مایل به برخورداری از این مزایا هستند را ارائه می‏دهند. البته تنها اینکه معماران و افراد دست‌اندرکار در حرفه ساختمان به‌صورت جامع در مورد جزئیات مهندسی CFD آموزش ببییند، عملی و سودمند نیست. شرکت‌های فروش باید قواعد و راهکارهایی را تهیه کنند که گواهینامه‌های اجرایی به همراه یک پیش نویس آموزشی کارآمد تلفیق شوند. مطالب علمی مورد نیاز می‌‏بایست در یک قالب منطقی و مناسب بین مجریان کار و استفاده کنندگان از نتایج و دیگر ذی‌نفعان اطلاع رسانی شود.

[۱] دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) که اختصاری از ترکیب Computational Fluid Dynamics است یکی از شاخه‌های مکانیک سیالات بوده که با استفاده از آنالیز عددی و الگوریتم‌های عددی، مسأله‌های مشتمل بر شاره‌های سیالاتی را تجزیه و تحلیل می‌کند.

[۲] American Institute of Architects

[۳] مربوط به مبحث حرکت گازها و هوا می‏‌باشد. آیرودینامیک قسمتی از علم دینامیک است که از حرکت هوا و سایر گازها و نیروهای ناشی از این حرکت و نیروهای وارد بر اجسام متحرک در گازها بحث می کند.

[۴] معبر تونل مانندی است که هوا با فشارهای مختلف از آن عبور می‌‏کند. این خود برای آزمایش مقاومت قطعات مختلف هواپیما، موشک و … در مقابل باد استفاده می‏‌شود.

منبع : http://www.bimananews.ir