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प्रवाहा (PraVaHa) : कम्प्यूटेशनल द्रव गतिकी (CFD)

GS-3 : मुख्य परीक्षा :

विज्ञान और प्रौद्योगिकी

 

भारतीय अंतरिक्ष अनुसंधान संगठन (इसरो) के विक्रम साराभाई अंतरिक्ष केंद्र (वीएसएससी) ने प्रवाहा (PraVaHa)  के साथ एक महत्वपूर्ण सफलता हासिल की है। प्रवाहा (PraVaHa)  का मतलब “पैरलल रैन्स सॉलवर फॉर एयरोस्पेस व्हीकल एयरो-थर्मो-डायनेमिक एनालिसिस” है।

यह क्या करता है:

प्रवाहा (PraVaHa)  विभिन्न अंतरिक्ष यानों, जिनमें प्रक्षेपण यान, पंख वाले विमान और गैर-पंख वाले पुनःप्रवेश यान शामिल हैं, के अंदर और बाहर वायु प्रवाह का अनुकरण करता है। यह अनुकार क्षमता दक्ष और सुरक्षित अंतरिक्ष यान डिजाइन करने के लिए महत्वपूर्ण है।

मुख्य अनुप्रयोग:

• गगनयान कार्यक्रम: प्रवाहा ने गगनयान मिशन के लिए मानव-युक्त प्रक्षेपण यान (एचएलवीएम3), क्रू एस्केप सिस्टम (सीईएस) और क्रू मॉड्यूल (सीएम) के वायुगतिकी का विश्लेषण करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई। यह भारत के पहले अंतरिक्ष यात्रियों की सुरक्षित उड़ान सुनिश्चित करता है।

तकनीकी क्षमताएं:

• वायु प्रवाह अनुकरण: प्रवाहा विभिन्न वायुमंडलीय परिस्थितियों में वायु प्रवाह के अनुकरण को संभाल सकता है, जिसमें आदर्श गैस और वास्तविक गैस दोनों व्यवहार शामिल हैं (जो अधिक जटिल और यथार्थवादी है)।
• उन्नत सत्यापन: वर्तमान सत्यापन प्रयास प्रवाहा को जटिल रासायनिक प्रतिक्रियाओं का अनुकरण करने में सक्षम बनाने का लक्ष्य रखते हैं, जैसे कि पृथ्वी के पुनःप्रवेश के दौरान वायु पृथक्करण या स्क्रैमजेट इंजनों के भीतर होने वाली प्रतिक्रियाएं।
• अस्थिर वायुगतिकी: प्रवाहा रॉकेट पिंडों के आसपास वायु प्रवाह व्यवहार और उड़ान के दौरान उत्पन्न होने वाले ध्वनिक शोर को समझने के लिए महत्वपूर्ण अस्थिर वायुगतिकी चुनौतियों का समाधान करता है।

अंतरिक्ष यान डिजाइन पर प्रभाव:

• अनुकूलित डिजाइन: प्रवाहा इंजीनियरों को प्रक्षेपण यान विकास के शुरुआती चरणों के दौरान कई डिज़ाइन विन्यासों का मूल्यांकन करने की अनुमति देता है, जिससे अधिक कुशल और सुव्यवस्थित अंतरिक्ष यान बनते हैं।
• भार का पूर्वानुमान: वायु प्रवाह का अनुकरण करके, प्रवाहा प्रक्षेपण और पुनःप्रवेश के दौरान वाहनों द्वारा अनुभव किए जाने वाले वायुगतिकीय और तापीय भारों की भविष्यवाणी करने में मदद करता है। यह जानकारी इन चरम स्थितियों का सामना करने के लिए वाहन के आकार, संरचना और थर्मल सुरक्षा प्रणालियों (टीपीएस) को डिजाइन करने के लिए महत्वपूर्ण है।
• ध्वनि में कमी: प्रवाहा मिशन के दौरान उत्पन्न होने वाले ध्वनिक शोर को समझने और कम करने में मदद करता है, जो अंतरिक्ष यात्रियों के लिए एक सहज और अधिक आरामदायक अंतरिक्ष उड़ान अनुभव में योगदान देता है।

प्रवाहा (PraVaHa)  का भविष्य:

अपने निरंतर विकास और सत्यापन के साथ, प्रवाहा इसरो के लिए एक और भी अधिक शक्तिशाली उपकरण बनने के लिए तैयार है, जो अगली पीढ़ी के अंतरिक्ष यानों को बेहतर प्रदर्शन, सुरक्षा और दक्षता के साथ डिजाइन करने में सक्षम बनाता है। यह भारत के भविष्य के अंतरिक्ष अन्वेषण प्रयासों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाएगा।

 

 

अतिरिक्त नोट्स

कम्प्यूटेशनल द्रव गतिकी (CFD)

द्रव प्रवाह के रहस्यों को उजागर करने वाला सीएफडी

सीएफडी, या कम्प्यूटेशनल द्रव गतिकी, द्रवों (तरल पदार्थ और गैसों) के व्यवहार का विश्लेषण और भविष्यवाणी करने के लिए उपयोग किया जाने वाला एक शक्तिशाली उपकरण है। संख्यात्मक विधियों और एल्गोरिदम का लाभ उठाकर, सीएफडी इंजीनियरों और वैज्ञानिकों को यह समझने में मदद करता है कि द्रव विभिन्न परिस्थितियों में कैसे चलते हैं और अपने परिवेश के साथ कैसे संपर्क करते हैं। यह ज्ञान कई उद्योगों के लिए महत्वपूर्ण है, जिनमें शामिल हैं:

• हवाई अंतरिक्ष: इष्टतम वायुगतिकी और ऊष्मा स्थानांतरण के साथ हवाई जहाज, रॉकेट और अंतरिक्ष यान डिजाइन करना।
• ऑटोमोबाइल: बेहतर वायुगतिकी के माध्यम से वाहन की ईंधन दक्षता, तापीय प्रबंधन और आराम में सुधार करना।
• सिविल इंजीनियरिंग: इमारतों पर पवन भार का विश्लेषण करें, कुशल एचवीएसी प्रणालियों को डिजाइन करें, और पर्यावरणीय प्रभाव का मॉडल तैयार करें।
• समुद्री इंजीनियरिंग: जहाज के ढांचों को अनुकूलित करें, अपतटीय संरचनाओं के लिए द्रव-संरचना अंतःक्रिया का आकलन करें, और पनडुब्बी जलगतिकी का विश्लेषण करें।
• जैव-चिकित्सा इंजीनियरिंग: चिकित्सा अनुसंधान और उपकरण डिजाइन के लिए रक्त प्रवाह का अनुकरण करें, श्वसन स्थितियों को समझने के लिए फेफड़ों में वायु प्रवाह का मॉडल तैयार करें, और चिकित्सा उपकरणों को अनुकूलित करें।

सीएफडी का ऐतिहासिक यात्रा

सीएफडी की यात्रा 19वीं शताब्दी में प्रसिद्ध नवीर-स्टोक्स समीकरणों जैसे मूलभूत द्रव गतिकी समीकरणों के विकास के साथ शुरू हुई। ये समीकरण द्रवों की गति को नियंत्रित करते हैं। 20वीं शताब्दी में कंप्यूटरों के आगमन के साथ एक महत्वपूर्ण छलांग देखी गई। इन शक्तिशाली मशीनों ने शोधकर्ताओं को जटिल और सटीक सिमुलेशन करने में सक्षम बनाया, जिससे सीएफडी को एक बिल्कुल नए स्तर पर ले जाया गया। आज, सीएफडी एक ऐसा परिष्कृत क्षेत्र है जो इसका उपयोग करता है:

• उन्नत एल्गोरिदम: जटिल द्रव प्रवाह समस्याओं को हल करने के लिए जटिल गणितीय उपकरण।
• उच्च-प्रदर्शन कंप्यूटिंग: शक्तिशाली कंप्यूटर जो सीएफडी सिमुलेशन से जुड़े बड़े डेटासेट और गणनाओं को संभालने में सक्षम हैं।
• विज़ुअलाइज़ेशन टूलز: सॉफ्टवेयर जो सीएफडी सिमुलेशन द्वारा उत्पन्न डेटा का स्पष्ट और अंतर्दृष्टिपूर्ण दृश्यात्मक में अनुवाद करता है।
• सीएफडी के स्तंभ: नियंत्रक समीकरण और विवेकीकरण विधियाँ
• सीएफडी के मूल में नियंत्रक समीकरण होते हैं जो द्रव के व्यवहार का वर्णन करते हैं. इनमे शामिल हैं:
• सांतत्य समीकरण: यह सुनिश्चित करता है कि बहते हुए द्रव के भीतर द्रव्यमान का संरक्षण हो. कोई द्रव रहस्यमय तरीके से ना तो बनता है और ना ही नष्ट होता है!
• नैवीयर-स्टोक्स समीकरण: यह समीकरणों का एक समूह है जो चिपचिपे द्रवों की गति का वर्णन करता है, जिसमें चिपचिपापन और दाब जैसे कारकों को ध्यान में रखा जाता है.
• ऊर्जा समीकरण: यह द्रव के भीतर ऊर्जा के संरक्षण को ध्यान में रखता है, जिसमें गर्मी हस्तांतरण और किए गए कार्य जैसे कारकों को ध्यान में रखा जाता है. लेकिन हम इन जटिल समीकरणों को कैसे हल करते हैं? यहीं पर विवेकीकरण (Discretization) विधियाँ सामने आती हैं:
• परिमित अंतर विधि (FDM): यह विधि नियंत्रक समीकरणों में व्युत्पन्न राशियों का अनुमान लगाती है, अंतर समीकरणों का उपयोग करके, अनिवार्य रूप से एक संख्यात्मक ग्रिड बनाती है और प्रत्येक बिंदु पर द्रव गुणों की गणना करती है.
• परिमित आयतन विधि (FVM): यह विधि द्रव के एक परिमित आयतन के भीतर द्रव्यमान, संवेग और ऊर्जा जैसे राशियों के संरक्षण पर ध्यान केंद्रित करती है.
• परिमित तत्व विधि (FEM): यह विधि समस्या क्षेत्र को छोटे, सरल तत्वों, जिन्हें परिमित तत्व कहा जाता है, में विभाजित करती है. फिर नियंत्रक समीकरणों को प्रत्येक तत्व पर हल किया जाता है और समग्र समाधान प्राप्त करने के लिए समाधानों को एक साथ जोड़ा जाता है.
• अशांति को नियंत्रित करना: सीएफडी अराजकता से कैसे निपटता है , द्रव प्रवाह हमेशा सहज नहीं होता है. अशांति, जो यादृच्छिक और अराजक उतार-चढ़ाव की विशेषता होती है, द्रव व्यवहार को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित कर सकती है. सीएफडी इस चुनौती का समाधान करने के लिए विभिन्न अशांति मॉडलिंग तकनीकों का उपयोग करता है:
• प्रत्यक्ष संख्यात्मक अनुकार (DNS): यह दृष्टिकोण प्रवाह में अशांति के सभी पैमानों को सीधे हल करता है. हालांकि, इसके लिए अत्यधिक कम्प्यूटेशनल संसाधनों की आवश्यकता होती है और यह अक्सर जटिल परिदृश्यों के लिए अव्यावहारिक होता है.
• बड़े भंवर अनुकार (LES): यह विधि अशांति के बड़े, ऊर्जा-युक्त पैमानों का स्पष्ट रूप से अनुकरण करती है, जबकि उप-ग्रिड-पैमाने मॉडल का उपयोग करके छोटे पैमानों का मॉडलन करती है. यह सटीकता और कम्प्यूटेशनल लागत के बीच एक अच्छा संतुलन प्रदान करता है.
• रेनॉल्ड्स-औसतित नैवीयर-स्टोक्स (RANS): यह व्यापक रूप से इस्तेमाल की जाने वाली विधि अशांति के प्रभावों का मॉडलन करने के लिए समय-औसतित समीकरणों को नियोजित करती है. हालांकि यह कम्प्यूटेशनल रूप से कुशल है, यह अत्यधिक अस्थिर प्रवाहों के लिए कम सटीक हो सकती है.

सीएफडी की क्षमता: लाभ और अनुप्रयोग

सीएफडी विभिन्न इंजीनियरिंग क्षेत्रों में एक अमूल्य उपकरण है, जो कई लाभ प्रदान करता है:

• लागत प्रभावी: यह महंगे भौतिक प्रोटोटाइप और व्यापक परीक्षण की आवश्यकता को कम करता है, जिससे समय और संसाधनों की बचत होती है।
• विस्तृत विश्लेषण: सीएफडी द्रव के व्यवहार के बारे में व्यापक जानकारी प्रदान करता है, जिसे प्रयोगात्मक रूप से प्राप्त करना कठिन या असंभव होता है।
• लचीलापन: यह विभिन्न परिस्थितियों और परिदृश्यों के तहत सिमुलेशन की अनुमति देता है, जिससे विभिन्न डिजाइन विकल्पों का आभासी परीक्षण सक्षम होता है।
• अनुकूलन: सीएफडी एक पुनरावृत्त डिजाइन प्रक्रिया को सुगम बनाता है, जहां इंजीनियर परिणामों का विश्लेषण कर सकते हैं और इष्टतम प्रदर्शन के लिए अपने डिजाइनों को परिष्कृत कर सकते हैं।

सीएफडी में चुनौतियां और विचार

अपनी क्षमताओं के बावजूद, सीएफडी कुछ चुनौतियां भी प्रस्तुत करता है:

• गणनात्मक संसाधन: जटिल सिमुलेशन के लिए महत्वपूर्ण कम्प्यूटेशनल शक्ति और समय की आवश्यकता हो सकती है, जिसके लिए शक्तिशाली कंप्यूटरों तक पहुंच की आवश्यकता होती है।
• सटीकता: सीएफडी परिणामों की सटीकता उपयोग किए गए गणितीय मॉडलों और संख्यात्मक विधियों की गुणवत्ता पर बहुत अधिक निर्भर करती है। सही दृष्टिकोण चुनना महत्वपूर्ण है।
• सत्यापन: सिमुलेशन को उनकी विश्वसनीयता सुनिश्चित करने के लिए प्रायोगिक डेटा या वास्तविक दुनिया के अवलोकनों के खिलाफ मान्य किया जाना चाहिए।

 

https://www.thehindu.com/sci-tech/science/isro-develops-pravaha-software-for-aerodynamic-design-and-analysis/article68246269.ece