ทำความรู้จักกับ CFD
CFD ย่อมาจาก Computational Fluid Dynamics เป็นเครื่องมือที่ใช้ในการศึกษางานที่มีการหมุน เช่น ปั๊ม, พัดลม, ไดร์เป่าผม เป็นต้น วิศวกรจำเป็นต้องวิเคราะห์และเข้าใจถึงพฤติกรรมของชิ้นส่วนต่างๆ ที่มีผลต่อการไหล เพื่อพัฒนาชิ้นส่วนนั้นๆ ให้มีประสิทธิภาพที่ดีขึ้น ยกตัวอย่างเช่น รูปร่างของใบพัดของพัดลม ที่ลักษณะการบิดแตกต่างไปในแต่ละแบบ จะส่งผลให้ลมที่ออกมาเปลี่ยนแปลงไปด้วย
CFD ช่วยให้วิศวกรสามารถศึกษางานได้หลากหลายรูปแบบ โดยที่ยังประหยัดทั้งเงินและเวลา เนื่องจากในสมัยก่อนเราต้องสร้างโมเดลต้นแบบ ต้องเตรียมห้องทดสอบและติดตั้งเพื่อการทดลอง ซึ่งเสียทั้งเวลาและเงินทุนไปจำนวนมากกว่าจะได้ผลิตภัณฑ์ที่ดีขึ้นมา ในบทความนี้จะกล่าวถึงพื้นฐานของ CFD และวิธีใช้ CFD เพื่อวิเคราะห์ชิ้นงานที่มีการหมุน ด้วยโปรแกรม SolidWorks Flow Simulation เริ่มต้นการวิเคราะห์งานหมุน
สำหรับการวิเคราะห์ส่วนใหญ่เราจะวิเคราะห์ในช่วง Steady State ซึ่งหมายถึงผลลัพธ์ที่ไม่ขึ้นอยู่กับเวลา ยกตัวอย่างเช่น แรงลมของพัดลมตอนที่ความเร็วใบพัดคงที่แล้ว ส่วนอีกแบบหนึ่งเรียกว่า Transient ซึ่งจะมีเวลาเข้ามาเกี่ยวข้องด้วย การวิเคราะห์แบบนี้จะใช้เวลาค่อนข้างมาก
การวิเคราะห์งานหมุนจะใช้วิธี Moving Mesh ซึ่งเป็นการกำหนดให้ Mesh บริเวณชิ้นงานที่มีการหมุนทำหน้าที่หมุนแทนชิ้นงานจริง โดยเราสามารถกำหนดความเร็วและทิศทางในการหมุนของชิ้นงานแต่ละชิ้นได้ นอกจากนี้หากมีชิ้นงานหมุนมากกว่า 1 ชิ้นในระบบของเรา เรายังสามารถกำหนดความเร็วรอบที่ต่างกันในแต่ละชิ้นงานได้อีกด้วย
ขั้นตอนในการตั้งค่า Flow Simulation
- การวิเคราะห์ Flow Simulation จะใช้ฟังก์ชั่น Wizard ในการเริ่มตั้งค่า เนื่องจากฟังก์ชั่นนี้จะช่วยให้เรากำหนดค่าต่างๆ ได้อย่างง่ายดาย และไม่พลาดที่จะลืมใส่ค่าต่างๆ ที่จำเป็น
- กำหนดหน่วยที่ใช้ในการวิเคราะห์ทั้งหน่วยของค่าที่เราจะใส่ หรือหน่วยของผลลัพธ์ที่เราต้องการ ซึ่งการกำหนดหน่วยสามารถแก้ไขในภายหลังจากการวิเคราะห์ก็ได้
- ในโปรแกรม SolidWorks Flow Simulation จะแบ่งการวิเคราะห์เป็น 2 แบบใหญ่ๆ คือ การไหลภายใน (Internal Flow) เป็นการวิเคราะห์ในระบบปิด เช่น น้ำไหลในท่อ อากาศที่หมุนเวียนในห้องปิด เป็นต้น และการไหลภายนอก (External Flow) ซึ่งวิเคราะห์ระบบเปิด เช่น อากาศที่ไหลผ่านรถยนต์ น้ำไหลผ่านเรือ เป็นต้น
นอกจากนี้ในหน้าต่างนี้เราสามารถกำหนดลักษณะงานที่เรา ต้องการวิเคราะห์เพิ่มเติมได้ เช่น เราต้องการวิเคราะห์การถ่ายเทความร้อน วิเคราะห์แบบขึ้นอยู่กับเวลา (Transience) หรือการวิเคราะห์ชิ้นงานหมุนซึ่งกำลังกล่าวถึงในบทความนี้
- Flow Simulation มีข้อมูลของของไหลทั้งที่อยู่ในรูปของของเหลวและก๊าซ เช่น Air, Water, O2, CO2 ฯลฯ นอกจากนี้เรายังสามารถกำหนดคุณสมบัติของไหลขึ้นเองและเก็บเป็นฐานของข้อมูล ของตัวเราเองได้อีกด้วย
- ถัดจากการกำหนดของไหลจะเป็นการกำหนดค่าสภาพแวดล้อมในการคำนวณ เช่น ลักษณะผิวของชิ้นงาน อุณหภูมิและความดันของบรรยากาศ
- ขั้นตอนสุดท้ายของการใช้ฟังก์ชั่น Wizard คือการกำหนดความละเอียดในการวิเคราะห์ โดยเราเลือกระดับตั้งแต่ 1 – 8 ยิ่งตัวเลขมากความละเอียดก็จะมากตาม แต่เวลาในการวิเคราะห์ก็จะนานขึ้นด้วย
- กำหนดความเร็วและทิศทางในการหมุนที่ Rotating Region โดยสิ่งที่เรากำหนดให้หมุนคือบริเวณรอบๆ ใบพัด
หลังจากที่วิเคราะห์เสร็จแล้ว เราสามารถดูผลลัพธ์ของการวิเคราะห์ได้หลายแบบ เช่น ผลลัพธ์ในแบบ 2D (Cut Plot), ผลลัพธ์ที่เกิดบนผิวของชิ้นงาน (Surface Plot), ลักษณะการเคลื่อนที่ของของไหล (Flow Trajectorire) ฯลฯ ถ้าเรามีการเปลี่ยนแปลงความเร็วการหมุนหรือรูปร่างใบพัด ก็จะทำให้ผลลัพธ์ที่ได้แตกต่างกัน
จะเห็นว่าการวิเคราะห์ Flow Simulation ไม่ได้ยาก และยังสะดวกอีกด้วย เพราะถ้ามีการปรับโมเดลใหม่ โปรแกรม SolidWorks จะสามารถอัพเดตรูปร่างใน Assembly ได้ทันที ทำให้เราสามารถวิเคราะห์ได้โดยไม่ต้องกำหนดค่าใน Flow Simulation ใหม่ ซึ่งประหยัดทั้งเวลาและเงินทุนที่ต้องลงไปได้มาก
