Click here to visit our sponsor

CFD ย่อมาจาก Computational Fluid Dynamic เป็นการวิเคราะห์พลศาสตร์ของไหลด้วยวิธีทางคณิตศาสตร์ ซึ่งอาศัยความสามารถของคอมพิวเตอร์สมัยใหม่ช่วยในการคำนวณ โดยใช้ระเบียบวิธีไฟไนต์อิลิเมนต์ (Finite Element Method)

ตัวอย่างที่ 1

เป็นการศึกษาการไหลของกระแสอากาศภายในอาคารซึ่งเกิดขึ้นโดยธรรมชาติเนื่องจากแรงลอยตัวของอากาศที่มีอุณหภูมิต่างกัน

อาคารนี้ วิศวกรต้องการใช้วิธีการระบายอากาศด้วยวิธีธรรมชาติ โดยอาศัยหลักการ Stack Effect กล่าวคือ เมื่ออากาศมีอุณหภูมิสูงขึ้น ก็จะเกิดแรงลอยตัว และลอยขึ้นสู่ที่สูง วิศวกรปรับอากาศ จึงประสานงานกับสถาปนิก จัดให้มีช่องเปิดที่ด้านล่างเป็นช่องทางลมเข้า และช่องเปิดด้านบนเป็นช่องทางลมออก

หากไม่มี CFD วิศวกรสามารถทำได้ดีที่สุดเพียงการประมาณ ความร้อนที่เกิดขึ้นภายในอาคาร และเข้าสมการหาความดันแตกต่างระหว่างส่วนบนและส่วนล่างของอาคาร แล้วนำไปคำนวณหาอัตราไหลที่เกิดขึ้น โดยไม่สามารถคาดการณ์ลักษณะการเคลื่อนที่ของกระแสอากาศ และไม่สามารถคาดการณ์อุณหภูมิในแต่ละส่วนของอาคารได้

แต่ CFD ได้ช่วยให้วิศวกรปรับอากาศ ได้เห็นลักษณะการเคลื่อนที่ของกระแสอากาศ และอุณหภูมิภายในอาคาร ที่สภาวะต่างๆ และทำให้วิศวกรปรับอากาศ ร่วมกับสถาปนิก ปรับแต่งลักษณะอาคารให้เกิดอัตราการระบายอากาศให้ได้พอเพียง โดยไม่ต้องใช้พัดลม จึงช่วยให้อาคารนี้ ประหยัดพลังงานไปได้ตลอดอายุการใช้งานของอาคาร

จากรูปที่ 1   เป็นการแสดงความเร็วลมที่เกิดขึ้น ทิศทางของลูกศรแสดงทิศทางของกระแสลม ความยาวของลูกศรและสีแสดงอัตราเร็วของกระแสอากาศ จากรูปเราพบว่า จะเกิดกระแสอากาศเคลื่อนที่ภายในอาคาร โดยเข้ามาจากช่องด้านล่าง และลอยตัวขึ้นด้านบน เนื่องจากเกิดการเหนี่ยวนำจากความร้อนที่เข้าผ่านหลังคา แต่อย่างไรก็ตาม กระแสอากาศบางส่วนได้ม้วนตัวลงมาสู่บริเวณกลางอาคาร ด้านบนของอาคาร อากาศจะถูกเร่งความเร็วเนื่องจากความร้อนที่สะสมมากขึ้น จึงเกิดแรงลอยตัวมากยิ่งขึ้น และลอยออกไปทางช่องเจาะด้านบนในที่สุด

รูปที่ 2 แสดงอุณหภูมิภายในอาคาร โดยสีน้ำเงินคืออุณหภูมิต่ำ และเหลืองมีอุณหภูมิสูง รูปนี้ยังทำการซ้อนทับเวคเตอร์ความเร็วลงไปด้วย ซึงจะเห็นได้ว่า อุณหภูมิจะสอดคล้องกับการเคลื่อนที่ของกระแสอากาศ

ตัวอย่างที่ 2

ตัวอย่างนี้ เป็นการนำเอา CFD มาแสดงการเคลื่อนที่ของกระแสอากาศและอุณหภูมิภายในห้องที่ติดเครื่องปรับอากาศไว้บนเพดาน มีขนาดห้อง 4 x 5 เมตร สูง 3 เมตร มีความร้อนผ่านผนังสองด้าน ด้านหนึ่ง 10 W/sq.m. และอีกด้านหนึ่ง 40 W/sq.m. โดยแยกทำการศึกษา 2 กรณี คือ กรณีแรกเป็นห้องว่าง และ กรณีที่สอง เป็นห้องซึ่งมีตู้ตั้งอยู่กลางห้อง

กรณีที่ 1 ห้องว่าง

รูปที่ 3 แสดงรูปห้องและตำแหน่งเครื่องปรับอากาศ

รูปที่ 4 แสดงความเร็วและทิศทางการเคลื่อนที่ของกระแสอากาศใน 3 มิติ

รูปที่ 5 แสดงการกระจายอุณหภูมิภายในห้องซึ่งตัดตามยาว

รูปที่ 6 แสดงการกระจายอุณหภูมิภายในห้องที่ตัดตามขวาง

กรณีที่ 2 ห้องที่มีตู้ตั้งกลางห้อง

รูปที่ 7 แสดงรูปห้องซึ่งมีตู้ตั้งกลางห้อง และตำแหน่งเครื่องปรับอากาศ

รูปที่ 8 แสดงความเร็วและทิศทางการเคลื่อนที่ของกระแสอากาศใน 3 มิติ

รูปที่ 9 แสดงการกระจายอุณหภูมิภายในห้องซึ่งตัดตามยาว

รูปที่ 6 แสดงการกระจายอุณหภูมิภายในห้องที่ตัดตามขวาง

จากผลการศึกษานี้ แสดงให้เราได้เห็นถึงลักษณะการกระจายลมออกจากเครื่องปรับอากาศ พร้อมอุณหภูมิในบริเวณต่างๆ ซึ่งทำให้วิศวกรมั่นใจในผลของการออกแบบมากยิ่งขึ้น

สรูป

CFD ได้เปิดประตูบานใหม่ให้กับวิศวกรปรับอากาศ ให้ออกไปสู่การออกแบบในยุคใหม่ ทำให้เราเห็นการเคลื่อนที่ของกระแสอากาศในสภาวะหนึ่งๆได้อย่างที่เราไม่เคยทำได้มาก่อน ทำให้เราสามารถทำนายภาวะของความสบายเชิงความร้อนได้อย่างแม่นยำขึ้น และจะนำไปสู่การออกแบบที่ถูกต้องและประหยัดค่าใช้จ่ายในที่สุด   โดยเฉพาะถ้าเป็นโครงการขนาดใหญ่ ซึ่งต้องมีการลงทุนในระบบปรับอากาศหลายร้อยหรือหลายพันล้านบาท ก็จะยิ่งช่วยให้ทั้งวิศวกรและเจ้าของโครงการมั่นใจในผลการออกแบบ และช่วยลดค่าใช้จ่ายที่ไม่จำเป็นได้เป็นอย่างมาก

กิตติกรรมประกาศ

ขอขอบคุณ ศ.ดร. ปราโมทย์ เดชะอำไพ ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย เป็นอย่างสูง ที่กรุณาอนุญาตให้นำภาพผลจากการวิเคราะห์นี้ มาเผยแพร่เพื่อให้วิศวกรปรับอากาศได้เห็นประโยชน์ของ CFD