Hesaplamalı akışkanlar dinamiği

Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD), nümerik analiz ve veri yapıları kullanarak akışkan akışı problemlerini analiz eden ve çözmeye çalışan akışkanlar mekaniğinin bir dalıdır. Akışkanın akışını ve sınır değerlerince tanımlanmış yüzey ile olan etkileşimlerini hesaplamak için bilgisayarları kullanılır.^[1]

HAD kullanarak yapılmış bir Karman Vortex Caddesi animasyonu.

HAD; aerodinamik, hava tahmini, havacılık ve uzay mühendisliği, doğal bilimler, çevre mühendisliği, endüstriyel sistem tasarımı ve analizi, ısı transferi, yanma analizi gibi birçok alanda kullanılmaktadır.

Arka plan ve Tarihçe

Hemen hemen tüm HAD problemlerinin temel dayanağı Navier-Stokes denklemleridir(Bu denklemler tek fazlı -gaz ya da sıvı ikisi birden değil- akışkan akışlarını açıklar). Navier-Stokes denklemlerinden viskozite sonucu oluşan terimlerin çıkartılması ile Euler denklemleri elde edilir. Bazı farklı terimlerin de çıkartılması sonucu tam potansiyel denklemleri elde edilir. Son olarak sesten yavaş ve hızlı akışlarındaki(transonik veya hipersonik olmayan) küçük pertübasyonlar lineerleştirilip doğrusallaşmış potansiyel denklemlerine ulaşılır.

Hyper-X aracının Mach 7'de bir simülasyonu

Tarihsel olarak, yöntemler ilk olarak doğrusallaşmış potansiyel denklemlerini çözmek için geliştirilmiştir. Modern HAD'a benzeyen(Sonlu fark kullanılıp fiziksel bölgenin hücrelere ayırılması) en eski hesaplamalar Lewis Fry Richardson tarafından yapılmıştır. Tahminler fazlasıyla tutarsız olsa da verilere Richardson'un kitabı Weather Prediction by Numerical Process 'da yer verilmiştir.

Gelişen teknoloji ile bilgisayarların artan hesap güçleri üç boyutlu yöntemlere ön ayak oldu. Navier-Stokes denklemlerini kullanarak akışkanları modellemeye çalışan ilk çalışmanın Los Alamos Ulusal Laboratuvarı tarafından yapıldığı düşünülmektedir ^[2][3].

Metodoloji

• Ön işleme sırasında
  • Problemin geometrisi ve fiziksel sınır değerleri bilgisayar destekli tasarım(CAD) kullanarak tanımlanabilir. Sonrasında veri temizlenip akışkan hacmi elde edilir.
  • Akışkan tarafından kaplanan hacim hücrelere bölünür ve ızgara(Mesh) oluşturulur.
  • Fiziksel model tanımlanır mesela: akışkan hareket yasaları + radyasyon + tür korunumu.
  • Sınır değerleri tanımlanır.
• Simülasyon başlatılır ve denklemler tekrarlı bir şekilde çözülür.
• Son olarak analiz için sonuçlar görselleştirlir.