تحليل ديناميكا الموائع (CFD)
ندرس حركة السطح الحر، السلوك الهيدروديناميكي والقوى الناتجة عن الجريان في القوارب الصغيرة، الخزانات الزراعية وخزانات التدوير باستخدام طرق ديناميكا الموائع الحسابية. بعد ذلك نربط خرائط الضغط والقوى مع التحليل الميكانيكي والهيدروستاتيكي، لتصميم جسم الخزان وأجزاء الدعم وفق سيناريوهات تحميل واقعية.
الأداء الهيدروديناميكي وثبات القوارب الصغيرة
تخضع قوارب الكانو والكاياك وقوارب الصيد الساحلي والقوارب الشراعية الخفيفة لنفس القيود الهيدروديناميكية تقريباً. فالغاطس، شكل المقدمة، خط العارضة، العرض وتوزيع الحجم يحدد كلاً من مقاومة السحب والثبات الأولي والثانوي. باستخدام تحليل ديناميكا الموائع الحسابية نعرض شكل الموج على السطح الحر، خطوط الجريان حول الهيكل وتوزيع الضغط، بحيث تُربط قرارات شكل الهيكل ببيانات رقمية لا بالحدس فقط.
في هذا المشروع طلب العميل قارب كانو مخصصاً لشخص واحد، يتحمل مستويات مختلفة من أخطاء المستخدم ويصعب انقلابه. لم تكن السرعة أولوية؛ بل كان الهدف هيكل لا يمتلئ بالماء بسهولة، ويتسامح مع الميلان الجانبي ويمنح إحساساً بالثقة لشريحة واسعة من المستخدمين. باستخدام CFD قمنا بتغيير شكل الهيكل، توزيع الحجم وارتفاع الجوانب، ثم قارنّا تأثير ذلك على الجريان، الطفو وسلوك الثبات.
أسئلة التصميم التي نجيب عنها بـ CFD
- السطح الحر وشكل الموج: مدى قابلية القارب للانقلاب تحت ظروف موج وحمل مختلفة، وأي التركيبات تخلق عدم استقرار مفاجئ.
- توزيع الضغط والطفو: كيف يتحرك مركز الطفو على طول الهيكل مع تغير وزن المستخدم أو موضع الجلوس.
- مقاومة السحب: هل يمكن الحفاظ على شكل آمن دون خلق فقدان طاقة غير ضروري ضمن مجال السرعة المستهدف.
- التريم والثبات: سلوك الميلان الأمامي/الخلفي والجانبي، وزاوية الانقلاب وحدود الاسترجاع.
كيف ينعكس ذلك على قرارات التصميم
- تحديد مجال مناسب للعرض، ارتفاع الجوانب وتوزيع الحجم بحيث لا يسقط المستخدم في الماء مع الحفاظ على راحة التجديف.
- تحديد نطاق ثبات مقبول لأوزان مستخدمين مختلفة (مثلاً طفل/بالغ).
- مساعدة شركات التأجير على اختيار أشكال هياكل أكثر تسامحاً مع أخطاء المستخدم.
- عند وجود نموذج حالي، إعداد جدول مقارنة بين الهيكل القائم والمقترح من حيث زاوية الانقلاب، الراحة وتوزيع الأحمال.
بهذه الطريقة يمكن تعريف الأداء الهيدروديناميكي المطلوب للسرعة والثبات والسلامة بصورة رقمية، وتوجيه تصميم الهيكل لتحقيق هذه المعايير.
تذبذب السائل والأحمال الديناميكية في الخزانات الزراعية
في خزانات الرش المثبتة على الجرارات أو المقطورات، عند نسب تعبئة تقارب 30–70%، يؤدي الكبح، التسارع وعدم استواء الطريق إلى اندفاع السائل ذهاباً وإياباً. ينتج عن ذلك حركة موجية، قمم ضغط موضعية وقوى أفقية تؤثر على جسم الخزان والهيكل الحامل. عبر تحليل تذبذب السائل نرصد حركة السطح الحر، مجال الضغط والقوى الأفقية المتغيرة مع الزمن، ثم نستخرج غلاف تحميل آمن يعتمد عليه التصميم.
في هذا المثال تمت دراسة خزان رش زراعي بولي إيثيلين بسعة 2000 لتر مثبت خلف جرّار، عند تعبئة 50% وكبح مفاجئ. تحليل تذبذب السائل أظهر حركة السطح الحر، قمم الضغط على الجدران والقوى الأفقية التي تنتقل إلى نقاط تثبيت الخزان على الهيكل مع مرور الزمن. ومن هذه النتائج استُخرجت أحمال ساكنة مكافئة لاستخدامها في التصميم الميكانيكي.
محاور التحليل في دراسات تذبذب السائل
- حركة السطح الحر: ارتفاع الموج عند نسب تعبئة مختلفة وسلوك الارتطام على الجدارين الأمامي والخلفي.
- مجال الضغط: قمم الضغط أثناء الكبح ومناطق تركّز الحمل في مواضع وصول قمة الموج.
- القوى والعزوم العامة: القوى الأفقية وعزوم الانقلاب التي تنتقل من الخزان إلى الهيكل مع الزمن.
- تأثير نسبة التعبئة: كيف يتغير غلاف التحميل عند نسب تعبئة 30%، 50% و70% وأيها أكثر حرَجاً.
انعكاس النتائج على قرارات التصميم
- تحديد الأحمال الساكنة المكافئة لأرجل الخزان وحوامل التثبيت بناءً على سلوك التذبذب الفعلي.
- توضيح مناطق الهيكل التي تحتاج إلى تدعيم (مثل تحت الأرجل والجسور الجانبية).
- تقييم الحاجة إلى حواجز أو عناصر توجيه داخلية، وتحديد مواضعها بصورة رقمية عند الحاجة.
- إنشاء غلاف تحميل لأنماط كبح مختلفة (عادي/طارئ) ومجالات سرعة متعددة، ثم ضبط معامل الأمان وفق ذلك.
بهذه الصورة يتحول سؤال «ماذا يحدث فعلياً أثناء الكبح؟» في الخزانات الزراعية من مجرد تخمين إلى سيناريو تحميل هندسي مُعرّف بقيم ضغط وقوى مقابل نسبة التعبئة، السرعة ونمط الكبح.
تحليلات CFD أخرى (حسب المشروع)
إلى جانب القوارب الصغيرة والخزانات الزراعية، ننفّذ أيضاً تحليلات CFD مخصّصة لمشكلات جريان أكثر خصوصية مرتبطة بمنتجات التدوير. الهدف هنا ليس عائلة منتجات قياسية، بل كشف سيناريو استعمال محدد وتحويله إلى أرقام واضحة تدعم قرارات التصميم.
أمثلة مرتبطة مباشرة بمنتجات التدوير
- تحليل زمن الخلط، الحجم الميت والتجانس في الخزانات المزودة بخلاطات.
- دراسة الجيوب الهوائية وسلوك التهوية أثناء تعبئة وتفريغ خزانات التدوير.
- تقييم فقدان الضغط وتوزيع الجريان غير المتوازن في المجمعات وشبكات الأنابيب.
- تحليلات مخصصة لمعدات مساعدة مثل المراوح والجريان داخل القنوات التي تعمل مع منتجات التدوير.
منهجنا القائم على المشروع
- في كل مشروع نحدد أولاً السيناريو، المخرجات المستهدفة ومعايير القبول.
- عند الحاجة نربط نتائج CFD مع التحليل الميكانيكي أو الهيدروستاتيكي لدراسة انتقال الأحمال.
- تُقدّم النتائج على شكل خرائط لونية، جداول رقمية وتقرير مختصر مع توصيات التصميم.
- في الأعمال المتكررة نقترح قوالب تحليل يمكن توحيدها لاحقاً.
النطاق والمخرجات
ما الذي نحلّله؟
- تذبذب السائل: خرائط الضغط والقوى الأفقية مع الزمن.
- الخلط: زمن الوصول إلى التجانس ومناطق الحجم الميت.
- التعبئة/التفريغ: الجيوب الهوائية، الحجم المتبقي وشكل الدخول.
- الجريان في الأنابيب والمجمّعات: فقدان الضغط والتوزيع غير المتوازن.
- عند الحاجة، ربط نتائج CFD مع نماذج التحليل الميكانيكي/الهيدروستاتيكي لدراسة انتقال الأحمال.
مخرجاتنا
- خرائط لونية للضغط، السرعة، التركيز وشكل السطح الحر (لخطوات زمنية مختارة).
- جداول لقيم أساسية مثل ppeak، Fx,max، زمن الخلط ونسبة الحجم الميت.
- ملخص تنفيذي من صفحة واحدة مع عناوين قرارات التصميم الأساسية.
- لقطات من نموذج CAD مع تعليقات توضح مقترحات التعديل (حواجز، مواقع الفتحات، شكل القاع، إلخ).
- عند الطلب: وثيقة ملخّصة تجمع بين الأحمال الناتجة عن CFD وتقارير التحليل الميكانيكي/الهيدروستاتيكي.
الأسئلة الشائعة
- ملفات CAD: نموذج STEP أو Parasolid مع التفاصيل الداخلية والفتحات المهمة.
- خصائص السائل: النوع، الكثافة (ρ)، اللزوجة ومدى درجة الحرارة أثناء التشغيل.
- السيناريو: نسبة التعبئة، ملف السرعة/التسارع، سرعة الخلاط أو معدل الضخ وما يشبهها من بيانات التشغيل.
- الأهداف (إن وجدت): مثل الحد الأقصى للحجم الميت، زمن الخلط المقبول أو حدود الضغط.