آشنايي جامع با گرايش و علم آيروديناميك

در اين سري از مباحث قصد داريم علاقه مندان را به صورت مبسوط با علم هوافضا آشنا كنيم. در اين پست خيلي ساده و روان به معرفي گرايش آيروديناميك مي پردازيم.

ابتدا خود واژه آيروديناميك رو بررسي كنيم…

aerodynamic تشكيل شده از aero و dynamic …. به زبان ساده يعني ديناميك جريان هوا…. يعني در اين علم، جريان هواي در حال حركت رو مورد بررسي قرار مي دهيم… آیرودینامیک علمیه که به مطالعه رفتار جریان هوا حول اجسام مختلف می پردازه…  فيلم زير رو ببينيد:

در این فیلم مهندسان آیرودینامیک رفتار هوا رو حول خودروی بنز بررسی می کنن…. اما شاید سوال بشه خب آخرش که چی؟!؟… پاسخ اینه که… اگه با ویژگی های جریان آشنا بشید می بینید با دونستن رفتار جریان میشه خیلی کارها کرد…. احتمالا تا حالا سوار دوچرخه يا موتور شدید… وقتی با سرعت زیاد حرکت می کنید… یه نیروی مقاوم در جلوی خودتون احساس می کنید…

این نیروی مقاوم که پسا نام داره میتونه جلوی سرعت شما رو بگیره و میزان زیادی از انرژی شما رو بر باد فنا بده!!! این وسط علم آیرودینامیک میتونه شما رو راهنمایی کنه که چه جوری این نیروی پسا رو به حداقل ممکن برسونید… اینجاست که راز شکل کلاه دچرخه سواران و موتور سوارها کشف میشه…همه این هندسه ها ریشه های آیرودینامیکي داره!…

همونطور كه در ابتدا عرض شد علم آيروديناميك وسعت گسترده اي داره…. به طوري كه تا ساده ترين مسائل زندگي ما هم وارد میشه…. از حركت آب درون جوي بگيريد تا باد شديدي كه جلوي حركت شما رو گرفته…. پرواز پرندگان و حشرات…. دوچرخه و موتوري كه سوار ميشيد….موشك كاغذي كه درست مي كنيد و خيلي موارد ديگه… اينها همه تحليلهاي آيروديناميكي دارن…

حالا بيايد كمي دقيق تر بشيم… آيروديناميك در واقع بخشي از علم وسيع تر مكانيك سيالات هستش و ريشه در اون داره…. مطالعه و پيشرفت اين علم از حدود ۱۲۰ سال پيش همزمان با اولين پروازها  شروع شد….و طي اين مدت پيشرفتهاي زيادي كرد كه غالبا در زمينه هواپيما و موشك بود… بعد از اين مهندسان ديگر هم كم كم به اين فكر افتادند كه از اين علم بهره ببرند و كيفيت ساخته هاي خودشون رو بهتر كنند… به همين دليل مباحث جديدي مثل آيروديناميك خودرو و وسايل نقليه…. آيروديناميك ساختمان ها و سازه ها… توربين باد… تاثيرات آيروديناميك در  شاخه هاي ورزشي و… مطرح شد.

علم آيروديناميك بسيار زيباست…. به واقع مي تونم بگم كه زينت هوافضا، آيروديناميك هست (قال احد من الهوافضائيون!)… براي اينكه بيشتر آيروديناميك رو لمس كنيد آزمايشهاي زير رو انجام بديد:

وقتي روي يك نوار كاغذي رو فوت مي كنيد انتظار ميره كه اين كاغذ پايين تر بره اما برخلاف انتظار بالاتر ميره! اگه بين دو توپ آويزان و يا بين دوتا ورق بدميد به جاي اينكه از هم دور بشن به هم نزديك تر ميشن!

 

 يه لوله خودكار و يا سشوار رو بگيريد و به صورت مورب به يه توپ پينگ پونگ در هوا بدميد مي بينيد كه توپ در هوا معلق مي مونه… و يا مثلا اگه روي يه باد كنك فوت كنيد بادكنك بالاتر ميره….

يا دليل كات كشيدن توپ با دانستن قوانين آيروديناميكي معلوم ميشه:

 

توپ فوتبال٬ تنیس و گلف به خاطر دلایل آیرودینامیکی هستش که این شکلهای خاص رو دارن:

  

فيلم زير رو ببينيد… به دليل عدم تحليل آيروديناميكي، پل زير چنان به ارتعاش افتاد كه فروريخت:

علم آيروديناميك از جهات مختلف دسته بندي ميشه… از يه نظر به دو بخش مادون صوت و مافوق صوت تقسيم ميشه…مادون صوت جريان رو از سرعتهايي پايين تا سرعتي حدود ۱۰۰۰ كيلومتر بر ساعت بررسي مي كنه در اين بازه، تمامي پرنده هاي سرعت پايين  مثل گلايدرها، هواپيماهاي ملخي و  مسافربري تحليل ميشن البته به اين دسته آيروديناميك سرعت پايين هم (low speed aerodynamic) ميگن… و جريان مافوق صوت به بررسي جريانات بالاي ۱۰۰۰ كيلومتر بر ساعت مي پردازه كه معمولا موشكها و جنگنده ها در اين حالت تحليل ميشن…

 از منظر دیگه آیرودینامیک به دو دسته لزج و غیر لزج تقسیم میشه.. لزجت خاصیتی از هوا و سیالات هستش که باعث نیروی پسا هست… در آیرودینامیک غیر لزج٬ دیگه صحبتی از نیروی پسا نیست یعنی اصلا وجود نداره… شايد فکر کنید که این امر باعث خطا در نتایج میشه اما نگران نباشید چون خیلی از جریانهای اطراف ما غیر لزج  و فقط جریانهای نزدیک به سطوح و دیواره ها دارای اثرات لزجت هستند.

یکی از مباحث مهم در آیردینامیک لزج لایه مرزی هستش که حجم بالای تحقیقات و پیشرفتهای آیرودینامیک مربوط به این زمینه ميشه….

از منظر دیگه آیرودینامیک رو به دو دسته تراکم ناپذیر و تراکم پذیر تقسیم کرده اند…. تراکم ناپذیر به این دلیل که چگالی جریان تغییر نمیکنه…. تقریبا تا سرعتهای ۳۰۰کیلومتر بر ساعت جریان هوا تراکم ناپذیره…

از سوی دیگه دو دسته بسیار مهم آیرودینامیک تئوری و آیرودینامیک تجربی وجود داره… در تئوری به محاسبات و تحلیلهای محاسباتی و عددی اکتفا میشه … مثلا جسم پرنده رو درون یک نرم افزار تحلیل می کنن… و یا معادلات جریان رو برای یک جسم حل می کنند… معمولا به کسایی که تخصصشون این موضوعه، سي اف دي كار (cfd man ) میگن….

اما در آیرودینامیک تجربی به محاسبه مجهولات در عمل می پردازن….در واقع برای بررسی جریان٬ جسم رو درون اتاقک های مخصوصی قرار  و سپس جریان رو درون اتاقک حرکت میدن…. این کار دقیقا مثل این میمونه که جسم در هوا داره پرواز می کنه… به مجموعه این اتاقک، موتور و سایر تجهیزات٬ تونل باد (wind tunnel) می گن…بنابراین هروقت اسمی از آیرودینامیک تجربی اومد حتما بدونید که پای یه تونل باد در میان هست!!

تونلهای باد ابعاد مختلفی دارن هم می تونن بسیار کوچک و هم میتونن به اندازه ای باشن که هواپیما یا ماشینی به اندازه واقعی رو توش قرار داد و تحلیل کرد.

نرم افزار هاي آيروديناميك

 در علم آيروديناميك بحث كد نويسي يكي از مباحث مهمه… درواقع مهندس آيروديناميك، علاوه بر حل هاي تحليلي بايد بتونه حل عددي هم بكنه… بنابراين بايد با قواعد برنامه نويسي آشنا باشه….اين ويژگي بيشتر در مقطع ارشد به داد مهندس آيروديناميك ميرسه… چون خيلي از پروژه هاش كد نويسيه… رايج ترين زبان برنامه نويسي براي آيروديناميك، زبان فرترن – fortran هست.

قديمي ترها با فرترن ۷۷ كار مي كردن ولي الان از ورژنهاي جديدتر اين نرم افزار استفاده ميشه مثل فرترن ۹۰ و فرترن ۹۵ … البته خيلي ها اعتقاد دارن كه اين زبان، بسيار كودن(!) هست وبا محيطش حال نمي كنن… ولي مزيتي كه اين زبان داره سرعت بالاي محاسبات اونه كه چند يا چندين برابر زبان هاي جديد مثل متلب هست…

از ديگر ابزارهاي تحليلي مهم و رايج در علم آيروديناميك، نرم افزار فلوئنت و گمبيت هست… فلوئنت و گمبيت در واقع دو نرم افزار هستند كه در گمبيت ابتدا  هندسه جسمي كه قصد داريم در جريان قرارش بديم رو مدل مي كنيم، سپس اين هندسه رو وارد فلوئنت كرده و تحليل مي كنيم…. فلوئنت حكم يه تونل باد مجازي رو داره كه به صورت عددي ميشه جريان رو جسم مدل شده شبيه سازي كرد و نتايج رو در عمل استفاده كرد….

در اين زمينه نرم افزارهاي زيادي مثل فلوئنت هستند ولي به اندازه اين نرم افزار پركاربرد نبودند مثل:

cfx , star-cd , cfd-ace , phoenics , flow3d , fire , swift

نرم افزارهاي ديگه اي هم هستند كه به صورت كدهاي آماده و بر اساس روابط تئوري و هم چنين تجربي در آزمايشگاه نوشته شده اند و از اعتبار خوبي بر خورددارند… مثلا كدهاي آماده x-foil براي تحليل ايرفويل در انواع جريان ها مناسب است. حتي جريانهاي لزج هم با اين كدها مي شه تحليل كرد.كدهاي x-foil بعد ها تحت نرم افزار profili ارائه شد كه محيط نرم افزار از حالت كد خارج شده و دگمه ها و نمودارها ديگر امكانات بهش اضافه شد….

نرم افزار ديگه اي كه به صورت كدنويسي بسيار معتبر و ارزشمنده، نرم افزار digital datcom هست… توسط اين نرم افزار ميشه پارامترهاي آيروديناميك اجسام پرنده رو در حالت دو بعدي و سه بعدي محاسبه كرد. خصوصا مشتق هاي پايداري رو كه بسيار مهمند….

آیرودینامیک در دانشگاه های ایران

 درس آيروديناميك در دانشگاه هاي ايران در دوره كارشناسي در قالب دو درس سه واحدي (آيروديناميك ۱ و ۲) ارائه ميشه… آيروديناميك ۱ همون جريان حول اجسام در سرعت هاي زير صوتي هست و آيروديناميك ۲ به جريان مافوق صوت مي پردازه….غالب اساتيد مرجع اصلي اين درس رو آيروديناميك جان اندرسون معرفي مي كنن كه از حق نگذريم كتاب ارزشمند و رواني هست….

اگه كسي دوست داره به صورت پايه اي يك آيردويناميكي بشه بايد از ابتدا به درس مكانيك سيالات اشراف كامل پيدا كنه تا با تسلط كامل به يادگيري مفاهيم ايروديناميك بپردازه…. نكته قابل توجه در اين قسمت اينه كه تمامي مطالبي كه در زمينه آيروديناميك در ايران تدريس ميشه غالبا مربوط به هواپيماست….

اما در مقطع ارشد درس ها تخصصي تر و صد البته شيرين تر ميشه…. عناوين دروس آيروديناميكي در ارشد به شرح زيره:

- رياضيات پيشرفته

- آيروديناميك مادون صوت

- آيروديناميك مافوق صوت

- تئوري لايه مرزي

- ديناميك سيالات محاسباتي ۱ (cfd)

- توربولانس

- آيروديناميك پيشرفته

- آيروديناميك توربوماشين ها

- توليد شبكه محاسباتي

- ديناميك سيالات محاسباتي ۲ (cfd)

- آيروديناميك غير دائم

- آيروديناميك هليكوپتر

- جريان هاي چندفازي

- آيروديناميك ماوراء صوت

- تئوري اغتشاشات

البته مباحث ديگه اي هم شايد در برخي دانشگاه ها ارائه بشه… و به فراخور هر دانشگاه درس هاي خاصي كه متناسب با اهداف اون دانشگاه هست تدريس خواهد شد. برای آشنایی بیشتر با کلیه کتب هوافضایی اینجا کلیک کنید. 

در واقع تجربه اي كه خودم بعد از پنج شش سال داشتم اينه كه در دوره كارشناسي با گوشه اي از حقايق علمي آشنا ميشيم اما با ورود به مقطع ارشد درياي حقايق علمي به روي آدمي گشوده ميشه(!) البته اگر انتخاب ارشد از روي علاقه باشه نه چيزاي ديگه (كه در ادامه به اين موضوع هم مي پردازيم)…. آدم فكر مي كنه كه با شروع ارشد ديگه وقتش آزاده و هفته اي دو روز ميره دانشگاه و هيچي! غافل از اينكه هر درس سه واحدي ارشد برابري ميكنه با سه درس كارشناسي بل بيشتر…

 در جدول زير ظرفيت هاي دانشگاههايي كه در مقطع ارشد دانشجو مي گيرند آمده است (سال ۹۱):

معرفی برخی از زمینه های تخصصی در علم آیرودینامیک

- لايه مرزي:  هنگامي كه جسم در معرض جريان قرار مي گيره، لايه اي نازك در جريان (و چسبيده به جسم) ايجاد مي شه كه خصوصياتش با نواحي ديگر جريان سيال فرق مي كنه… اين لايه در اثر خاصيت چسبندگي سيال (لزجت – viscosity) به وجود مياد. در اين ناحيه سرعت سيال از صفر تا ۹۹ درصد سرعت جريان آزاد، تغيير مي كنه:

لايه مرزي خودش به دو بخش ناحيه آرام (laminar) و مغشوش يا آشفته (turbulent) تقسيم ميشه كه هر كدوم دامنه گسترده اي از تحقيقات و مطالب علمي دارند.

آيروديناميك پره هاي توربين و كمپرسور (turbin blade aerodynamic): در اين شاخه از آيروديناميك، روي جريان عبوري از پره هاي توربين گازي و كمپرسور تمركز ميشه و يكي از اهداف مهم تحقيقات، جلوگيري از پديده surge و stall  در پره هاست… البته فن ها هم ميشه در اين دسته جا داد… اين شاخه جزو دسته آيروديناميك داخلي محسوب ميشه و نه تنها در موتور هاي جت، بلكه در توربين هاي گازي صنعتي نيز جاي كار و خواهان بسيار داره…

آيروديناميك ملخ (propeller aerodynamic): ملخ هواپيما و هليكوپتر از مهمترين مباحث در اين زمينه هستند. اين شاخه جزو آيروديناميك خارجي هست. توربينهاي بادي هم نياز به اين چنين تحليل هايي دارند….. ملخ ها هميشه راندمان كامل رو ندارن و در حالت مناسب حدود ۷۰ درصد بازدهي دارن… بنابراين طراحي يك ملخ با راندمان بالا هدف اصلي اين شاخه هست:

پروانه كشتي ها و قايق ها هم در همين مقوله مي گنجه و جاي كار زيادي براي تحقيقات در اين زمينه هم هست…به عبارتي دامنه اين علم تا صنايع كشتي راني هم رسيده!

آيروديناميك هواپيما (و موشك) (aircraft aerodynamic): در اين مورد مهندس آيروديناميك وظايف مختلفي داره… در قدم اول بايد ديد كه چرا هواپيما بايد تحليل ايروديناميكي بشه؟… هميشه  غالب تحليل هاي آيروديناميكي هواپيما برا وقتيه كه ساخته نشده و در مرحله طراحي هست….در اين مرحله سرطراح از گروه آيروديناميك خودش ميخواد كه ضرايب ليفت و پسا و ممان پيچشي هواپيما و به طور كلي مشتقات پايداري رو از طريق تحليل استخراج كنند تا در مراحل بعدي طراحي استفاده بشه… همچنين انتخاب و طراحي ايرفويل هاي بال و دم و …. نيز از قسمتهاي مهم ديگر هست …. موشك هم به همين صورته با كمي ريز كاري هاي ديگه…

آيروديناميك برج هاي بلند (tall building aerodynamic): شايد در نگاه اول فكر كنيد كه ديگه ساختمان ها و برجها براي چي نياز به تحليل ايروديناميكي دارند؟!؟…اما بايد بگم كه بي توجهي به اين امر باعث سقوط يك ساختمان خواهد شد…گردابه هايي كه در پشت ساختمان ايجاد ميشه با يه فركانس خاصي در پشت ساختمان تشكيل و از آن جدا مي شوند… اگر اين فركانس به مقدار خاصي برسد باعث ارتعاش سازه و تشديد اون ميشه…

آيروديناميك خودرو (road vehicle aerodynamic): ديگه در اين مورد نياز به توضيح نيست … چون كه خودتون تفاوتهاي خودرهاي ديروز رو با امروز از لحاظ آيروديناميكي به وضوح مشاهده مي كنيد…( نمونه اش مقايسه پيكان و پژو ۲۰۶!!)

موقعيت شغلي گرايش آيروديناميك :

غالبا رایجه که میگن دربین گرایشهای هوافضا آیرودینامیک از همه بازار کار کمتری داره….اما این حرف برای کسایی میتونه صدق کنه که نشستند و بدون هیچ کارنامه عملی و علمی منتظرند که دو تا فرشته از صنعت بیاین و اینها رو روی دست ببرن سر کار!!!

آیرودینامیک هم مثل سایر گرایشهای دیگه نقش بسیار تعیین کننده ای در صنعت هوافضا داره…. نه تنها هوافضا بلکه خیلی زمینه های دیگه … برای مثال الان شما توی ایران میتونید وارد شرکتهایی مثل صبا نیرو بشید و در زمینه توربینهای بادی کار کنید… در صنایع خودرو سازی هم جایی برای این گرایش پیدا میشه… التبه در خارج از کشور بیشتر و در داخل کمتر….صنعت ساختمان سازی و شهری نیز نیاز به تحلیل  جریان حول ساختمانهای بلند و هم چنین پلها داره تا استحکام و طراحی اون درست انجام بشه… صنعت راه آهن از دیگر صنایع هست که برای طراحی شکل واگنهای قطار و فاصله واگن ها با هم٬ نیازمند به یک مهندس آیرودینامیک هست.

صنعت توربینهای گازی در نیروگاهها هم یکی دیگر از بازارهای کار برای مهندسان آیرودینامیک هست…

در زمینه صنایع دفاع و نظامی که تا دلتون بخواد موقعیت شغلی هست…. مخصوصا ایرودینامیک موشک…. و بعد از اون آیرودینامیک هواپیماها که البته غالبا هواپیماهای بدون سرنشین در صدر تحلیلها قرار دارند. با توجه به اینکه صنعت هواپیماسازی ایران در مرحله یک جهش بزرگ قرار داره٬ پیشبینی میشه که در اینده مهندسان زیادی در گرایشهای مختلف هوافضا از جمله آیردوینامیک لازم باشه…. چون پروسه طراحی یک هواپیما اونم از نوع مسافربری مستلزم تعداد زیادی تحلیل هاست….

 شاید تا اینجا با خودتون میگید که نویسنده این مطلب چقدر دلش خوشه!!… وقتی کسی انقدر از خودش مطمئن باشه که در زمینه مورد علاقه ش میتونه کار کنه و پروژه انجام بده دیگه دغدغه کار پیدا کردن نداره٬ چرا که این کار هست که خود به خود به سراغش میاد!… بنابراین اول علاقه خودتون رو مشخص کنید و سپس با انجام پروژه و کارهای عملی بر مهارت خود اضافه کنید تا جایی رزومه ای در خور و شایسته یه مهندس آیرودینامیک پیدا کنید.

مطمئن باشید که علاقه همیشه کلید موفقیت در بازار شغلی هست….مطلب جالبي در اين زمينه هست كه بيانش خالي از لطف نيست:

 

مارك البيون در كتاب خود تحت عنوان  «ساختن زندگي و امرار معاش»، درباره يك مطالعه آشكاركننده از سوداگراني مي نويسد كه دو مسير كاملا متفاوت را پس از فراغت از تحصيل دانشگاهي طي كرده اند. وي چنين مي گويد: يك بررسي از فارغ التحصيلان دانشكده بازرگاني، سابقه ۱۵۰۰ نفر را از سال ۱۹۶۰ تا سال ۱۹۸۰ مورد مطالعه قرار داده است. در آغاز، فارغ التحصيلان به دو گروه تقسيم شدند.

گروه الف: كساني بودند كه گفته بودند مي خواستند اول پول درآورند تا بعداً هر كار خواستند بكنند. يعني اول مشكلات مالي خود را حل و فصل كنند، بعداً به امور ديگر زندگي بپردازند.

گروه ب : شامل كساني بود كه ابتدا به دنبال علاقه واقعي خود بودند و اطمينان داشتند كه پول عاقبت خود به دنبال آن مي آيد.

چه درصدي در هر گروه وجود داشت؟ از ۱۵۰۰ فارغ التحصيل در مطالعه مورد نظر، كساني كه در گروه الف «اول پول» بودند ۸۳ درصدكل يا ۱۲۴۵ نفر را تشكيل مي دادند. گروه ب « اول علاقه واقعي» يعني خطرپذيرها جمعاً ۱۷ درصد يا ۲۵۵ نفر بودند. پس از بيست سال ۱۰۱ نفر ميليونر در كل اين دو گروه به وجود امده بود كه يك نفر از گروه «الف» و ۱۰۰ نفر از گروه «ب» بودند …!

كلمات كليدي:‌  آیرودینامیک – معرفی گرایش هوافضا – شاخه – علم – تئوری لایه مرزی – معرفي علم آيروديناميك – گرايش آيروديناميك – رشته آيروديناميك – آيروديناميك ماشين – توربوماشين – لايه مرزي – aerodynamic – technology

5 دیدگاه درباره “آشنايي جامع با گرايش و علم آيروديناميك

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *