شبیه ساز دینامیک سیالات در طراحی خودرو چیست و چگونه است؟

شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) به عنوان ابزاری حیاتی در تحلیل رفتار جریان هوا پیرامون خودرو به شمار می‌رود. با رشد فناوری و افزایش نیاز به بهینه‌سازی مصرف سوخت، کاهش آلایندگی و بهبود عملکرد خودروها، بررسی دقیق آیرودینامیک بدنه خودرو بیش از پیش اهمیت یافته است. در این میان، شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) به عنوان ابزاری حیاتی در تحلیل رفتار جریان هوا پیرامون خودروها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

آیرودینامیک خودرو، نقشی بنیادین در کاهش نیروی درگ، بهبود پایداری، افزایش کارایی و کاهش صدای ناشی از جریان هوا ایفا می‌کند. روش‌های تجربی نظیر تونل باد، گرچه دقیق هستند، اما هزینه‌بر و زمان‌بر می‌باشند. در مقابل، CFD امکان تحلیل دقیق و چندباره طراحی‌های مختلف را با هزینه‌ای به‌مراتب کمتر فراهم می‌کند.

در واقع، CFD با حل معادلات ناویر – استوکس که اساس فیزیکی و ریاضی حرکت جریان‌های سیال است، رفتار پیچیده جریان هوا در اطراف هندسه خودرو را مدل‌سازی می‌کند. این معادلات شامل معادله بقای جرم، معادله بقای مومنتوم و معادله انرژی است که در مجموع جریان هوا را در تمامی جهات و شرایط مختلف توصیف می‌کنند.

فرایند شبیه‌سازی CFD در زمینه خودرو با مدل‌سازی هندسی دقیق آغاز می‌شود که در آن مدل سه‌بعدی CAD با جزئیات کامل از جمله آینه‌ها، ورودی‌های هوا، چرخ‌ها و زیر بدنه ایجاد می‌گردد. پس از آن، مرحله مهم شبکه‌بندی یا مش‌سازی پیش می‌آید که در آن حجم فضای اطراف خودرو به هزاران یا حتی میلیون‌ها سلول کوچک تقسیم می‌شود.

هدف اصلی در سدان‌ها کاهش درگ برای بهبود مصرف سوخت و صدای کابین است. CFD به طراحان اجازه می‌دهد تا زاویه شیشه عقب، شکل گلگیر و سقف را طوری بهینه کنند که جدایش جریان به حداقل برسد. در خودروهای اسپرت، اولویت با افزایش نیروی داون‌فورس برای بهبود چسبندگی به سطح است. شبیه‌سازی CFD در طراحی بال عقب، دیفیوزر و Splitterها حیاتی است.

بدنه بزرگ و سطح مقطع زیاد SUVها معمولاً منجر به ضریب درگ بالاتر می‌شود. CFD کمک می‌کند تا طراحی ستون عقب (C-Pillar)، سقف، و اسپویلرها بهینه شده و پایداری در سرعت بالا افزایش یابد. در این نوع خودروها، ۶۰٪ مقاومت حرکتی ناشی از درگ آیرودینامیکی است. CFD در طراحی دماغه، پنل‌های جانبی و حتی آیرودینامیک یدک‌کش‌ها کاربرد دارد.

نتایج شبیه‌سازی CFD امکان استخراج پارامترهای حیاتی برای ارزیابی عملکرد آیرودینامیکی خودرو را فراهم می‌آورد. ضریب درگ که معیاری برای مقاومت هوا در برابر حرکت خودرو است، یکی از مهم‌ترین کمیت‌ها است که کاهش آن به معنی بهبود مصرف سوخت و افزایش سرعت نهایی خودرو است.

یکی از مهم‌ترین چالش‌ها در شبیه‌سازی‌های دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) مربوط به دقت مدل‌های توربولانس و حساسیت نتایج به کیفیت مش و شرایط مرزی است. انتخاب نامناسب مدل توربولانس یا استفاده از مش‌بندی ضعیف می‌تواند به نتایج گمراه‌کننده و غیرقابل‌اعتماد منجر شود.

در سال‌های اخیر، هم‌زمان با رشد چشمگیر توان پردازشی و توسعه الگوریتم‌های یادگیری ماشین، ترکیب شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) با هوش مصنوعی به یکی از نوآورانه‌ترین رویکردهای طراحی آیرودینامیک در صنعت خودرو تبدیل شده است. الگوریتم‌های بهینه‌سازی تکاملی و روش‌های بهینه‌سازی چندهدفه اکنون به‌صورت هم‌زمان با شبیه‌سازی‌های CFD اجرا می‌شوند تا هندسه‌هایی کشف شوند که دستیابی به آن‌ها با روش‌های کلاسیک طراحی تقریباً غیرممکن است.

در نهایت، شبیه‌سازی جریان هوا با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) به‌عنوان ابزاری استراتژیک در مهندسی خودرو مطرح است؛ ابزاری که از نخستین مراحل طراحی مفهومی تا تحلیل نهایی عملکرد و تولید صنعتی، نقشی کلیدی ایفا می‌کند. این فناوری با فراهم‌سازی امکان بررسی دقیق، سریع و مقرون‌به‌صرفه رفتار جریان هوا در پیرامون بدنه خودرو، نه‌تنها موجب کاهش چشمگیر هزینه‌های توسعه و زمان طراحی می‌شود، بلکه بهینه‌سازی آیرودینامیک، کاهش مصرف سوخت، افزایش پایداری و ارتقای تجربه رانندگی را نیز به همراه دارد.