نرم افزار سی اف توربو CFTurbo چیست؟ چه کاربردی دارد؟

طبق گزارش منتشر شده از وزارت انرژی ایالات متحده، تجهیزات مبتنی بر جریان سیال مانند پمپ‌ها بیش از 24 درصد مصرف برق صنایع را به خود اختصاص می‌دهند. بنابراین حتی بهبود چند درصدی در راندمان این تجهیزات می‌تواند به صرفه‌جویی‌های اقتصادی و انرژی قابل‌توجهی منجر شود. دستیابی به چنین بهبودی، بدون طراحی دقیق و مهندسی‌شده ممکن نیست. نرم‌افزار CFTurbo دقیقا در همین نقطه وارد عمل می‌شود. ابزاری که با تمرکز بر طراحی هیدرولیکی و آیرودینامیکی توربوماشین‌ها، به مهندسان کمک می‌کند تصمیمات طراحی را پیش از ورود به مراحل پر هزینه ساخت و آزمون، به صورت علمی و داده‌محور اتخاذ کنند. اگر قصد آشنایی با ابعاد مختلف CFTurbo را دارید، این مقاله مخصوص شماست.

خلاصه محتوای این مقاله را می‌توانید از طریق فایل صوتی زیر بشنوید:

ویدئوی معرفی CFTurbo و کاربردهای آن

تاریخچه سی اف توربو

نرم‌افزار CFTurbo توسط شرکت CFTurbo GmbH در شهر درسدن آلمان توسعه یافت و شروع رسمی فعالیت این شرکت در سال 2008 بود. این شرکت توسط مهندسانی با تجربه در زمینه طراحی توربوماشین‌ها و مهندسی سیالات تاسیس شد و با هدف خلق ابزاری کاربر پسند برای طراحی مفهومی ماشین‌های دوار شکل گرفت.

پیش از ظهور CFTurbo، ابزارهای طراحی توربوماشین‌ها به‌طور معمول تخصصی، پیچیده و محدود به کاربران بسیار حرفه‌ای بود. بنابراین نیاز به ابزاری به وجود آمد که بتواند فرآیند طراحی مفهومی پمپ‌ها، فن‌ها، کمپرسورها و توربین‌ها را برای مهندسان با سطوح مختلف تخصص به صورت ساده، سریع و قابل ادغام با محیط‌های CAD و CFD انجام دهد. این نیاز به نرم‌افزاری که هم توان فنی بالا و هم رابط کاربری کارآمد داشته باشد، زمینه شکل‌گیری CFTurbo را فراهم کرد.

نسخه‌های اولیه CFTurbo بر طراحی مفهومی Turbomachinery تمرکز داشتند و امکان مدل‌سازی پارامتریک سه‌بعدی برای اجزای اصلی مانند ایمپلرها، دیفیوزرها، استاتورها و ولوها فراهم می‌کردند. این نسخه‌ها طراحی محوری، شعاعی و مخلوط‌جریان پمپ‌ها، فن‌ها، کمپرسورها و توربین‌ها را ممکن می‌ساختند و مخاطب اصلی آن‌ها مهندسان طراحی توربوماشین در صنایع مختلف بوند که به ابزارهایی نیاز داشتند تا بتوانند طرح‌های اولیه را سریع توسعه داده و برای تحلیل دقیق‌تر به سیستم‌های CAD/CFD منتقل کنند.

در مراحل اولیه توسعه، CFTurbo بیشتر در صنایعی کاربرد داشت که طراحی و بهینه‌سازی ماشین‌های دوار و سیستم‌های جریان سیال برای آن‌ها حیاتی بود، از جمله مهندسی مکانیک، خودروسازی، انرژی، تهویه مطبوع، صنایع شیمیایی و هوافضا. این صنایع به ابزارهایی برای طراحی پمپ‌ها، کمپرسورها، فن‌ها و توربین‌ها نیاز داشتند که فرآیند طراحی را تسهیل و با تحلیل‌های مهندسی و محیط‌های CAE ادغام کند.

کاربردهای CFTurbo

همان‌طور که در مقاله بهترین گرایش‌های مهندسی هوافضا اشاره کردیم، یکی از گرایش‌های پرطرفدار مهندسی هوافضا، آیرودینامیک است که هدف اصلی آن بهبود کارایی سیستم‌های پروازی با استفاده از دانش عمیق در زمینه‌های فیزیک سیالات، آیرودینامیک و طراحی موتورهای پیشرفته است. نرم‌افزار CFTurbo به عنوان یکی از ابزارهای اصلی این گرایش، یک پلتفرم طراحی توربوماشین است که در حوزه‌های مختلف مهندسی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این گستره کاربرد نشان می‌دهد که CFTurbo نه‌تنها برای طراحی قطعات توربوماشین بلکه برای کاربردهای سیالاتی و مکانیکی در صنایع گوناگون مناسب است و می‌تواند با فرآیندهای توسعه محصول در حوزه‌های مختلف هم‌تراز باشد.

CFTurbo برای طراحی و تحلیل انواع توربوماشین‌ها به کار می‌رود که برخی از آن‌ها عبارتند از:

• طراحی پمپ‌ها در انواع محوری، مختلط‌جریان و گریز از مرکز

• طراحی فن‌ها و دمنده‌ها در پیکربندی‌های مختلف

• طراحی کمپرسورها شامل کمپرسورهای محوری، مختلط‌جریان و گریز از مرکز

• طراحی توربین‌ها اعم از توربین‌های گازی، هیدرولیکی و ترکیبی

یکی از مزیت‌های کلیدی CFTurbo این است که با ارائه فرآیند طراحی پارامتریک و گام‌به‌گام، مراحل اولیه طراحی توربوماشین‌ها را به صورت خودکار یا نیمه‌خودکار انجام می‌دهد که باعث کاهش زمان صرف‌شده برای طراحی اولیه، کاهش خطاهای مهندسی ناشی از طراحی دستی، و بهبود دقت طراحی نسبت به روش‌های سنتی می‌شود. این ویژگی‌ها، همراه با امکان ادغام مستقیم با ابزارهای CAD و طراحی CAE، به شرکت‌ها کمک می‌کند تا هزینه‌های توسعه محصول را پایین آورده و فرآیند طراحی را به طور موثرتری مدیریت کنند، چرا که طراحان می‌توانند به‌جای صرف وقت برای هندسه‌های پیچیده، بر بهینه‌سازی عملکرد تمرکز کنند.

ممکن است این پرسش مطرح شود که استفاده از CFTurbo در چه نوع پروژه‌هایی نسبت به روش‌های سنتی طراحی، مزیت رقابتی ایجاد می‌کند؟ عموما در پروژه‌هایی که مستلزم طراحی توربوماشین‌های سفارشی یا پیچیده هستند مانند توسعه پمپ‌های با راندمان بالا، کمپرسورهای ویژه برای کاربردهای صنعتی، فن‌هایی با الزامات عملکردی خاص، یا توربین‌های هیدرولیکی و گازی با پارامترهای غیرمعمول، به‌کارگیری CFTurbo یک مزیت رقابتی مشخص فراهم می‌آورد. این برتری از توانایی نرم‌افزار در تولید سریع طرح‌های اولیه، یکپارچه‌سازی مستقیم با ابزارهای شبیه‌سازی و بهینه‌سازی، و مدیریت طراحی‌های پارامتریک ناشی می‌شود، قابلیت‌هایی که در روش‌های سنتی معمولا به زمان بیشتر، احتمال بالاتر خطای انسانی و هزینه‌های بالاتر در تحلیل و ساخت نمونه منجر می‌شوند.

مزایا و چالش‌های سی اف توربو

در پاراگراف قبل به طور مختصر به بعضی از مزایای CFTurbo اشاره کردیم. همان‌طور که در دوره آموزش طراحی پمپ با سی اف توربو CFTurbo نیز تدریس می‌شود، با یادگیری این نرم‌افزار می‌توانید به مهارت‌هایی از جمله طراحی هیدرولیکی پمپ، تبدیل فایل CFTurbo به فایل CAD، درک ارتباط بین بازده و سرعت مخصوص و شکل پروانه و بسیاری از موارد دیگر مسلط شوید. البته برای اینکه بتوانید استفاده موثری از این نرم‌افزار داشته باشید، لازم است که هم با مزایا و هم با چالش‌های آن به صورت جزئی‌تر و از ابعاد مختلف آشنا شوید. با کمک جدول زیر می‌توانید یک دید کلی در این زمینه پیدا کنید:

پیشنیازهای یادگیری CFTurbo

برای استفاده موثر از CFTurbo، آشنایی با اصول مهندسی مکانیک و به ویژه مبانی توربوماشین‌ها بسیار مفید است. اگرچه نرم‌افزار به نحوی طراحی شده است که حتی کاربرانی با تجربه کم در طراحی توربوماشین‌ها نیز بتوانند طراحی‌های اولیه را انجام دهند، اما داشتن دانش پایه در زمینه مکانیک سیالات و طراحی ماشین‌های دوار به درک بهتر پارامترها و ورودی‌ها کمک خواهد کرد. در ادامه به بررسی جزئی‌تر پیشنیازهای لازم برای استفاده بهینه از این نرم‌افزار می‌پردازیم.

• مکانیک سیالات

آشنایی با مباحث مکانیک سیالات شامل مفاهیم جریان سیال، پیوستگی، انرژی و معادلات حرکت برای درک رفتار جریان در اجزای توربوماشین‌ها مثل ایمپلر، دیفیوزر و استاتور اهمیت دارد، زیرا این دانش پایه به کاربر کمک می‌کند هنگام وارد کردن شرایط مرزی و درک خروجی‌های طراحی، تصمیمات مهندسی دقیق‌تری بگیرد.

• ترمودینامیک

ترمودینامیک نقش کلیدی در طراحی توربوماشین‌ها دارد، زیرا بررسی عملکرد دستگاه‌ها شامل انرژی، کار، راندمان و خواص سیال است. گرچه CFTurbo تمرکز اصلی‌اش بر هندسه و طراحی پارامتریک است، درک مفاهیم ترمودینامیکی به کاربران کمک می‌کند ورودی‌ها و پیش‌بینی عملکرد را دقیق‌تر تنظیم کنند و طراحی‌ها را با منطق مهندسی کامل‌تری تحلیل نمایند.

• دانش ریاضی

برای کار با CFTurbo، دانش ریاضی در سطح جبر، معادلات و مفاهیم اولیه تحلیل هندسی کافی است، زیرا نرم‌افزار بیشتر فرآیند طراحی پارامتریک را با رابط کاربری تسهیل می‌کند. با این حال، درک پایه‌ای از معادلات مربوط به خواص جریان و روابط وابسته به پارامترها به تحلیل بهتر نتایج و تعیین مناسب پارامترهای ورودی کمک می‌کند، مخصوصا هنگامی که کاربر تصمیم به انتقال مدل به تحلیل‌های دقیق‌تری مثل CFD بگیرد.

• تحلیل داده‌ها و تفسیر نتایج

مهارت در تحلیل مهندسی داده‌های طراحی و تفسیر خروجی‌های نرم‌افزار برای فهم هندسه‌های پیشنهادی، منحنی‌های عملکرد و مؤلفه‌های هندسی بسیار مهم است، به خصوص وقتی خروجی‌ها برای انتقال به ابزارهای CAD/CFD مورد استفاده قرار می‌گیرند. داشتن توانایی قضاوت مهندسی نسبت به نتایج طراحی و آگاهی از روندهای عملکردی کمک می‌کند تا پارامترها به شیوه‌ای واقع‌بینانه و کاربردی تنظیم شوند.

موقعیت‌های شغلی سی اف توربو

تسلط بر CFTurbo به طور معمول در موقعیت‌های شغلی مرتبط با مهندسی طراحی توربوماشین‌ها و مهندسی مکانیک سیالات کاربرد مستقیم دارد، به ویژه در نقش‌هایی که شامل طراحی و بهینه‌سازی پمپ‌ها، فن‌ها، کمپرسورها و توربین‌ها هستند. کارفرمایان در صنایع خودروسازی، انرژی، هوافضا، HVAC و صنایع فرآیندی می‌توانند از مهندسانی که با CFTurbo قادر به تولید هندسه سه‌بعدی و تحلیل اولیه طراحی هستند استفاده کنند، زیرا سی اف توربو بخش مهمی از چرخه توسعه محصول در این حوزه‌ها محسوب می‌شود.

در پروژه‌های صنعتی، CFTurbo معمولا در مرحله طراحی مفهومی و توسعه هندسی اولیه توسط مهندسان طراحی یا مهندسان CAE استفاده می‌شود، جایی که نیاز به تولید سریع هندسه پارامتریک برای تحلیل عملکرد و بررسی گزینه‌های طراحی وجود دارد. این مرحله معمولا قبل از وارد کردن مدل به ابزارهای تحلیل دقیق‌تر مانند CFD یا FEA انجام می‌شود و نقش مهمی در تعیین ویژگی‌های پایه توربوماشین دارد.

اگرچه CFTurbo نسبت به برخی از ابزارهای عمومی CAD/CAE مانند SolidWorks یا ANSYS شناخته‌شده‌تر نیست، اما در بازارهای تخصصی طراحی توربوماشین‌ها تقاضای ثابتی برای مهارت در این نرم‌افزار وجود دارد، زیرا نقش آن در تولید هندسه پارامتریک و ادغام با ابزارهای تحلیل عملکردی کلیدی است. در صنایع تخصصی که طراحی توربوماشین‌ها حیاتی است (مثلا هوافضا، انرژی و فرآوری)، دانستن CFTurbo همراه با دانش CAD و CFD اغلب به عنوان یک مهارت ترکیبی ارزشمند تلقی می‌شود.

نرم‌افزارهای مشابه CFTurbo

در حوزه طراحی توربوماشین‌ها و ابزارهای مهندسی مرتبط، چند نرم‌افزار شناخته‌شده وجود دارند که عملکردی مشابه CFTurbo در طراحی، تحلیل و بهینه‌سازی ماشین‌های دوار ارائه می‌دهند. از جمله مهم‌ترین آن‌ها AxSTREAM که یک پلتفرم جامع طراحی توربوماشین است و از مرحله طراحی مفهومی تا تحلیل 1D/2D و تولید هندسه نهایی را پشتیبانی می‌کند و برای انواع پمپ‌ها، کمپرسورها، توربین‌ها و فن‌ها کاربرد دارد. همچنین بسته‌های تحلیل CFD/CAE مانند NUMECA FINE/Turbo به عنوان ابزارهای تخصصی تحلیل جریان و بهینه‌سازی در سیستم‌های دوار شناخته شده‌اند و ابزارهای طراحی تیغه و مش‌سازی نظیر Ansys TurboGrid در کنار محیط‌های تحلیل جریان جامع مانند Simcenter STAR CCM+ در بسیاری از پروژه‌های تخصصی کاربرد دارند.

در جدول زیر می‌توانید ویژگی‌های این نرم‌افزارهای حوزه طراحی و تحلیل توربوماشین‌ها و مقایسه آن‌ها با CFTurbo را ملاحظه نمایید:

برای پروژه‌های صنعتی بسیار پیچیده که نیازمند تحلیل جریان سه‌بعدی دقیق، بهینه‌سازی چندفیزیکی یا شبیه‌سازی‌ رفتارهای غیر خطی هستند، ابزارهای CFD/CAE جامع مانند Simcenter STAR CCM+ ممکن است نسبت به CFTurbo کاربرد عملی بهتر و کامل‌تری ارائه دهند، زیرا این پلتفرم‌ها توانایی حل معادلات جریان، انتقال حرارت و تعامل‌های چندفیزیکی را به صورت یکپارچه دارند، در حالی که CFTurbo بیشتر بر طراحی هندسه تمرکز دارد و برای تحلیل‌های تخصصی‌تر معمولا با ابزارهای مکمل ادغام می‌شود. 

اگر به یادگیری کاربردی Simcenter STAR CCM+ علاقه دارید، پیشنهاد می‌کنیم دوره آموزش استار سی سی ام STAR CCM+ را از دست ندهید. شما در این دوره به مهارت‌هایی از جمله اساس شبیه‌سازی و انواع آن، ایجاد و اصلاح هندسه و تنظیم شرایط مرزی در region، مدل‌سازی RANS و بسیاری از موارد دیگر مسلط خواهید شد.

سخت‌افزار مورد نیاز برای نصب و اجرای سی اف توربو

برای استفاده بهینه از نرم‌افزار CFTurbo، لازم است تا با حداقل‌های سخت‌افزاری مورد نیاز برای نصب و اجرای آن آشنا باشیم. بنابراین در جدول زیر، ویژگی‌های سخت‌افزاری ضروری را به‌صورت طبقه‌بندی شده برای شما آماده کرده‌ایم تا بتوانید تصمیم درستی در این زمینه بگیرید:

نمونه پروژه با CFTurbo

فرض کنید شما به عنوان متخصص CFTurbo در یک پروژه طراحی صنعتی فن‌های محوری کوچک برای سیستم‌های تهویه مورد استفاده در کارگاه‌ها و فضاهای کوچک حضور دارید. نتیجه مورد انتظار در این پروژه، طراحی یک فن با قطر پروانه حدود 300 میلی‌متر و ظرفیت هوادهی متوسط است.

اهداف این پروژه شامل موارد زیر هستند:

• طراحی هندسه اولیه پروانه و هاب فن

• بررسی پارامترهای کلیدی مانند زاویه پره، تعداد پره‌ها و شعاع پروانه

• تولید فایل‌های CAD قابل استفاده برای تحلیل‌های بعدی و ساخت نمونه اولیه

مراحل استفاده از CFTurbo در این پروژه عبارتند از:

1. ایجاد پروژه جدید: انتخاب نوع ماشین فن محوری در محیط نرم‌افزار

2. تعریف پارامترهای اولیه:

• قطر پروانه: 300 میلی‌متر

• تعداد پره‌ها: 6

• زاویه ورودی و خروجی پره‌ها: مطابق استانداردهای هواشناسی صنعتی

• سرعت دورانی موتور: 1450 دور در دقیقه

3. طراحی پارامتریک پروانه: استفاده از ابزار پارامتریک برای تغییر شعاع و زاویه پره‌ها و مشاهده تاثیر آن در هندسه

4. تولید هندسه سه‌بعدی: خروجی گرفتن به فرمت CAD برای بررسی ظاهری و آماده‌سازی برای تحلیل CFD

ادغام با نرم‌افزارهای دیگر:

• خروجی فایل STEP/IGES از CFTurbo برای وارد کردن به SolidWorks یا ANSYS Fluent

• بررسی جریان هوا و فشار در پروانه با استفاده از نرم‌افزار CFD

از جمله چالش‌ها و محدودیت‌هایی که ممکن است در این پروژه با آن‌ها روبرو شوید می‌توانیم به این دو مورد اشاره کنیم: محدودیت در تحلیل پیچیده جریان‌های گردابی یا اثرات نزدیک دیواره‌ها در این سطح ابتدایی و نیاز به ورودی دقیق پارامترها برای جلوگیری از هندسه غیر قابل تولید.

پس از انجام این پروژه ساده، نتایج و دستاوردهای شما شامل این موارد خواهد بود:

• تولید هندسه قابل ساخت برای یک فن کوچک

• مشاهده تاثیر تغییر زاویه پره‌ها و تعداد آن‌ها روی حجم هوادهی و فشار دینامیکی

• درک مفاهیم پایه طراحی توربوماشین و هندسه پارامتریک

اکنون شاید برای شما این پرسش مطرح شود که چگونه می‌توان میزان موفقیت این پروژه را ارزیابی کرد؟ به طور کلی، موفقیت پروژه با توانایی طراحی یک فن با عملکرد ابتدایی مطابق استانداردهای تهویه و همچنین کاهش زمان طراحی نسبت به روش‌های سنتی دستی اندازه‌گیری می‌شود. 

قیمت نرم‌افزار سی اف توربو

نرم‌افزار CFTurbo از یک مدل لایسنس چندگانه بهره می‌برد که شامل Node locked (قفل‌شده به یک دستگاه)، Floating (قابل اشتراک در شبکه) و Cloud (لایسنس ابری) می‌شود و به‌صورت رسمی با استفاده از سیستم Reprise License Manager (RLM) مدیریت می‌شود. این مدل به شرکت‌ها اجازه می‌دهد بر اساس نیازهای تیم طراحی خود، لایسنس را در یک کامپیوتر واحد یا به‌صورت اشتراکی در شبکه تهیه کنند و با لایسنس ابری نیز بدون مدیریت سرور داخلی، دسترسی از راه دور فراهم شود.

قیمت رسمی لایسنس CFTurbo به صورت عمومی منتشر نمی‌شود و شرکت‌ها برای دریافت قیمت باید از طریق بخش فروش یا نماینده منطقه‌ای استعلام کنند. با این حال برخی فروشگاه‌های ثالث نسخه‌های قدیمی را با قیمت‌های بسیار پایین (مثلاً حدود 79 دلار برای نسخه 2023 در عرضه غیررسمی و بدون پشتیبانی) اعلام کرده‌اند. اما این قیمت‌ها نمایانگر قیمت واقعی تجاری نیستند و اغلب شامل نسخه‌های کرک‌شده یا بدون پشتیبانی رسمی هستند.

در مدل تجاری CFTurbo، ماژول‌های مختلف طراحی مانند طراحی پمپ، فن، کمپرسور یا توربین به‌صورت اجزای مجزا یا بسته‌های ترکیبی قابل خرید هستند و این بدان معناست که هزینه کل استفاده می‌تواند بر اساس تعداد ماژول‌های مورد نیاز افزایش یابد. علاوه بر این، ممکن است برای آموزش رسمی، پشتیبانی طولانی‌مدت یا بسته‌های ترکیبی با ابزارهای CAD/CFD هزینه‌های جداگانه اعمال شود، زیرا فروش رسمی نرم‌افزار بسته به نیاز کاربر سفارشی‌سازی می‌شود.

جمع‌بندی

در این مقاله و معرفی و تحلیل نرم‌افزار CFTurbo از ابعاد مختلف پرداختیم. این نرم‌افزار در حوزه‌های مختلفی کاربرد دارد، بنابراین تسلط بر آن می‌تواند مزیت رقابتی قابل توجهی به حساب آید. از آنجایی که دوره‌های گروه آموزشی پارس پژوهان در گرایش‌های مختلف رشته مهندسی هوافضا و مهندسی مکانیک با رویکردی کاربردی و پروژه‌محور طراحی شده‌اند، انتخاب مناسبی برای دانشجویان در مقاطع تحصیلی مختلف و افراد شاغل در صنعت محسوب می‌شوند.

نویسنده: رضا صفایی، کارشناس مدیریت صنعتی