از فرمول یک تا شهرهای سبز؛ قدرت شبیهسازی جریان هوا
دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)، فناوریای که زمانی خودروهای فرمول یک را سریعتر کرد، حالا شهرها را در برابر بحران اقلیمی مقاوم میکند. این ابزار با شبیهسازی جریان هوا، آب و گرما به طراحی شهرهای خنکتر، خانههای پایدار و زیرساختهای مقاوم در برابر سیل و آتشسوزی کمک میکند و آیندهای سبزتر را نوید میدهد.
دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) با شبیهسازی حرکت هوا، آب و گرما در اطراف اشیا، به طراحی شهرها، زیرساختها و ساختمانهای مقاوم در برابر تغییرات اقلیمی کمک میکند. این فناوری با بهینهسازی تهویه، تنظیم دما و پایداری سازهها، از سازگاری با اقلیم پشتیبانی میکند.وقتی بتوانیم حرکت هوا و مایعات را درک و پیشبینی کنیم، میتوانیم برای تابآوری اقلیمی بهتر طراحی کنیم. نیک ویرث (Nick Wirth)، مهندس خودرو و بنیانگذار شرکت ویرث ریسرچ است که در زمینه طراحی و مهندسی خودروهای مسابقهای فعالیت میکند. وی میگوید: من این را از نزدیک تجربه کردهام. کار مهندسیام را با طراحی خودروهای مسابقهای فرمول یک شروع کردم. در اواسط دهه ۲۰۰۰، تیم ما یک مزیت پنهان داشت، دیگر نیازی به هزینههای گزاف و انتظار طولانی برای تونل باد نداشتیم. با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)، خودروها را فقط با شبیهسازی مدلسازی میکردم. این روش به ما امکان داد جریان هوای اطراف خودرو را دقیق پیشبینی کنیم و طراحیهایمان را سریعتر و ارزانتر از رقبا بهبود دهیم.اما کاربرد CFD فراتر از خودروهای پرسرعت است. درک چگونگی جریان هوا، آب و گرما، راز طراحی خانهها، شهرها و زیرساختهای مقاومتر در برابر بحران اقلیمی فزاینده را در خود دارد.
دینامیک سیالات محاسباتی چیست؟
دینامیک سیالات محاسباتی از ریاضیات و شبیهسازیهای کامپیوتری برای بازسازی رفتار گازها و مایعات در محیط مجازی استفاده میکند. این فناوری امکان آزمایش ویژگیهای آیرودینامیکی طراحیها را فراهم میکند؛ از جریان باد در شهرها گرفته تا حرکت آب در مناطق ساحلی هنگام سیل.در رسانهها راهحلهای کاهش تغییرات اقلیمی بیشترین توجه را جلب میکنند اما تغییرات اقلیمی دیگر مشکل آینده نیست؛ همین حالا در جریان است و فناوریهای سازگاری مانند CFD را به همان اندازه مهم میکند.
CFD و طراحی شهرهای خنکتر و مقاوم
تغییرات اقلیمی تأثیر نامتناسبی بر شهرها دارد. ۵۸ درصد جمعیت جهان در شهرها زندگی میکنند و این رقم تا سال ۲۰۳۵ به ۶۲ درصد خواهد رسید. شهرها با پوشش کمتر از یک درصد سطح زمین، ۶۷ تا ۷۲ درصد دیاکسید کربن جهان را تولید میکنند و با رشد جمعیت شهری، ردپای زیستمحیطی آنها به شدت افزایش مییابد.شهرها گرما را جذب میکنند و با افزایش دما، میلیونها نفر در معرض پدیده «جزیره گرمایی شهری» قرار میگیرند. این پدیده میتواند شهرها را تا ۱۰ درجه سانتیگراد گرمتر از مناطق اطراف کند و چرخهای معیوب ایجاد کند.شهرهای گرمتر، مصرف تهویه و کولرها را افزایش میدهند و این خود به انتشار بیشتر گازهای گلخانهای منجر میشود. اغلب مناطق کمدرآمد و پرجمعیت بیشترین آسیب را میبینند و کمترین توان خرید سیستمهای خنککننده و انرژی مورد نیاز آنها را دارند.دو عامل اصلی جزایر گرمایی شهری، تهویه ضعیف و انتخاب نادرست مصالح سطحی است. CFD به برنامهریزان شهری کمک میکند تا مکان پارکها، سطوح بازتابنده و کانالهای تهویه را تعیین کنند. برای مثال، برنامهریزان شهری سنگاپور از CFD برای طراحی کانالهای بادی استفاده کردند که نسیم خنک را به محلههای پرتراکم هدایت میکند.CFD همچنین میتواند ساختمانها را در برابر بادهای شدید مقاومتر کند. این فناوری چگونگی واکنش ساختمانها به بارهای بادی را آزمایش میکند، که برای شهرهای در معرض طوفانها و گردبادها حیاتی است. در خانهها نیز CFD با تحلیل جریان هوا، امکان قرارگیری بهینه پنجرهها، راهروها و اتاقها را فراهم میکند تا جریان هوا یکنواخت شود و وابستگی به سیستمهای تهویه کاهش یابد.
طراحی برای مقاومت در برابر سیل
بسیاری از این تکنیکها توسط معماران باستانی ابداع شده بودند. رومیها و یونانیها با طراحی آتریومها و کولوسئومها تهویه طبیعی ایجاد میکردند. امروز، CFD به ما کمک میکند بفهمیم چرا این روشها مؤثر بودند و چگونه میتوان آنها را بازآفرینی کرد.سیلها شایعترین و پرهزینهترین بلایای طبیعیاند. بین سالهای ۲۰۰۰ تا ۲۰۱۹، ۴۴ درصد بلایای ثبتشده سیل بودند. با گرم شدن اقلیم، سیلها مانند سایر رویدادهای شدید مانند خشکسالی و طوفان، شدیدتر و مکررتر شدهاند.بسیاری از شهرها برای مقاومت در برابر سیل طراحی نشدهاند. برای مثال سیستم زهکشی ضعیف دبی، آن را در برابر سیلهای ۲۰۲۴ آسیبپذیر کرد. CFD میتواند جریان آب در شهرها را طی بارندگیهای شدید یا بالا آمدن جزر و مد شبیهسازی کند. این شبیهسازیها برای طراحی دفاعهای سیل، سیستمهای سبز مدیریت آب باران و زیرساختهای «شهر اسفنجی» که آب را جذب میکنند، حیاتیاند.رُتردام نمونهای موفق است. بخشهایی از این شهر هفت متر پایینتر از سطح دریا قرار دارند و در معرض سیل و بالا آمدن سطح دریا هستند. رتردام با استفاده از CFD، جریان آب و خطرات سیل را شبیهسازی کرد و بر اساس آن، «کریدورهای سبز-آبی» (مسیرهای آبی و مناطق جمعآوری آب)، پارکینگهای زیرزمینی برای ذخیره باران و سازههای شناور مقاوم در برابر سیل طراحی کرد. این سازهها از سکوهای شناور و سیستمهای لنگر انعطافپذیر استفاده میکنند؛ برای مثال برخی خانهها روی بدنه بتنی شناور ثابت به ساحل ساخته شدهاند.با گسترش شهرها به مناطق ساحلی، CFD ابزاری بیقیمت برای طراحی شهرهای مقاوم در برابر سیل در آینده خواهد بود.
مدیریت آتشسوزیهای جنگلی
آتشسوزیهای جنگلی بزرگتر، سریعتر و مخربتر شدهاند. در سال ۲۰۲۳، کانادا بیش از ۴.۳ میلیون هکتار جنگل را در آتشسوزیها از دست داد. آتشسوزیهای اخیر در لسآنجلس نیز یادآوری کرد که همه، صرفنظر از ثروت یا جایگاه، در برابر پیامدهای تغییرات اقلیمی آسیبپذیرند.CFD میتواند چگونگی حمل آتش و دود توسط باد را تحلیل کند. این مدلها به پیشبینی الگوهای آتش، تعیین محل موانع آتش و طراحی استراتژیهای تخلیه کمک میکنند. همچنین در ساخت سازههای مقاوم در برابر آتش، با شبیهسازی حرکت خاکستر و گرما در زمینهای پیچیده، کاربرد دارند.آتشسوزیهای عمدی کنترلنشده نیز میتوانند فاجعهساز شوند. آتشسوزی کلف کنیون/هرمیتس پیک، بزرگترین آتشسوزی تاریخ نیومکزیکو، از دو آتشسوزی عمدی کنترلشده توسط سرویس جنگلداری آمریکا آغاز شد.CFD میتواند به کنترل بهتر این آتشسوزیها کمک کند و خطر خارج شدن آنها از کنترل را کاهش دهد.
کاربردهای CFD برای تابآوری اقلیمی هنوز بهطور کامل بهرهبرداری نشده است. پیچیدگی و نیاز به قدرت پردازشی بالا، استفاده از آن را محدود کرده، اما این وضعیت در حال تغییر است.پیشرفتهای سختافزاری هزینه و مصرف انرژی CFD را کاهش داده و تراشههای محاسباتی با کارایی بالا ارزانتر و قویتر شدهاند. پلتفرمهای ابری و خوشههای محاسباتی نیز سریعتر و کارآمدتر شدهاند.استفاده از CFD سادهتر هم شده است. هوش مصنوعی آن را برای افرادی با مهارت کدنویسی محدود قابلاستفادهتر میکند. آموزشهای آنلاین، پشتیبانی جوامع، مدلهای زبانی بزرگ و مجموعهدادههای آزاد، CFD متنباز را برای برنامهریزان شهری با بودجه و آموزش محدود در دسترستر کردهاند. البته کاربران جدید باید مراقب تحلیلهای نادرست CFD باشند، زیرا ممکن است به طراحیهای معیوب یا خطرناک منجر شود.در نهایت دسترسی به CFD بهصورت تصاعدی افزایش خواهد یافت. با استفاده بیشتر، مدلهای پیش اعتبارسنجی شده و مجموعه دادههای استاندارد بیشتری پدیدار میشوند که چرخههای آزمون و خطا را به شدت کاهش میدهند.
16:43 - 23 اردیبهشت 1404
1 واکنش
26٫7k بازدید