Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD), akışkanların hareketini ve bu hareketin fiziksel ortam üzerindeki etkilerini sayısal yöntemlerle analiz etmeye yarayan mühendislik dalıdır. Matematiksel modellere ve nümerik çözüm tekniklerine dayalı bu yöntem, akışkanların davranışını bilgisayar ortamında simüle ederek hem teorik bilgilerin test edilmesini hem de mühendislik tasarımlarının doğrulanmasını mümkün kılar.
HAD, bilgisayar destekli mühendislik (CAE) uygulamaları arasında özellikle akışkanlar mekaniği, ısı transferi, türbülans, madde taşınımı ve kimyasal reaksiyonların modellenmesinde kullanılan çok disiplinli bir analiz alanıdır.
HAD Uygulama Alanları ve Önemi
Fiziksel deneylerin maliyetli, tehlikeli veya pratikte uygulanamaz olduğu durumlarda HAD yöntemleri, dijital prototipleme yoluyla sistem davranışlarını öngörme imkânı sağlar. Hava ve sıvı akışları, içten yanmalı motorlar, havacılıkta kanat profilleri, HVAC sistemleri ve tarımsal kurutucular gibi birçok uygulama alanında HAD simülasyonları kullanılmaktadır. Özellikle havacılıkta, bir rotorun çevresinde oluşan akış alanının modellenmesi, rotor diskindeki indüklenmiş hızların ve uç girdaplarının davranışlarının analiz edilmesi, HAD ile mümkün olmaktadır. Bu analizler rotor performansını etkileyen kritik girdileri sağlayarak tasarım sürecine yön verir.
Sayısal Yöntemler ve Denklemler
HAD analizleri, temel olarak üç ana korunum yasası üzerine kuruludur: kütlenin korunumu (süreklilik denklemi), momentumun korunumu (Navier-Stokes denklemleri) ve enerjinin korunumu. Bu denklemlerin çözümü doğrudan analitik olarak mümkün olmadığından, genellikle sonlu hacimler yöntemi (FVM) gibi nümerik yaklaşımlar kullanılır. Akışkanların türbülanslı davranışlarını çözmek amacıyla çeşitli türbülans modelleri (örneğin k-ε modeli) kullanılmakta, çözüm süreci sıralı ya da akuplé çözücüler aracılığıyla gerçekleştirilir. Bu süreçlerde SIMPLE algoritması, Gauss-Seidel iterasyonu ve çoklu sayısal ağ teknikleri sıkça başvurulan yöntemlerdendir.
Hesaplama Ağı Yapısı
HAD simülasyonlarının doğruluğunu ve verimliliğini etkileyen en önemli faktörlerden biri hesaplama ağı (mesh) yapısıdır. Temel ağ türleri arasında hekzagonal, tetragonal ve polyhedral ağlar yer alır. Hekzagonal ağlar en yüksek kaliteyi sunmasına karşın, karmaşık geometrilerde uygulanması zordur. Bu nedenle çoğu uygulamada daha az düzenli olan, fakat daha uygulanabilir olan üçgen (tetragonal) veya çokyüzlü (polyhedral) ağ yapıları tercih edilmektedir. Mesh kalitesi, ağ elemanlarının biçimi, boyutu ve yerleşim düzeni gibi kriterlerle ölçülür. Yüksek kaliteli bir ağ yapısı, simülasyon süresini kısaltmakta ve analiz doğruluğunu artırmaktadır. Ancak, ağ yoğunluğu arttıkça işlem süresi ve donanım gereksinimleri de artmaktadır.
Mühendislik Süreçlerine Katkısı
HAD, mühendislik tasarımlarının doğrulanması, iyileştirilmesi ve optimize edilmesi süreçlerinde önemli katkılar sağlar. Geleneksel yöntemlerle elde edilmesi güç olan bilgiler HAD yoluyla elde edilebilirken, fiziksel prototip ihtiyacı azalmakta ve ürün geliştirme süreçleri hız kazanmaktadır.
Ancak HAD analizlerinin güvenilir olabilmesi için sınır şartlarının doğru tanımlanması, uygun ağ yapısının seçilmesi ve kullanılan matematiksel modellerin fiziksel gerçekliği yansıtması gerekir. Ayrıca sonuçların geçerliliği için deneysel verilerle karşılaştırılması ve hata yönetimi yaklaşımı benimsenmelidir.
