พลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (Computational Fluid Dynamics หรือ CFD) หรือที่เราชอบเรียกพูดติดปากกันว่าการทำซิมูเลชัน (Simulation) เป็นศาสตร์ของคอมพิวเตอร์ที่หลายต่อหลายคนรู้สึกว่าเป็นเรื่องไกลตัวและมีแต่คนในวงการวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมที่พูดถึงงานเหล่านี้เท่านั้น แต่อันที่จริงศาสตร์ของการคำนวณด้วยคอมพิวเตอร์นี้เองเป็นสิ่งที่อยู่เบื้องหลังและเข้ามาเปลี่ยนแปลงการออกแบบรถยนต์ อากาศยาน ไปจนถึงการพาจรวดของ SpaceX กลับมาลงจอดบนโลกสำเร็จ

คุณเชื่อไหมว่าตั้งแต่เครื่องบินลำแรกที่ออกโบยบินเมื่อมากกว่า 100 ปีที่แล้ว จวบจนทุกวันนี้เรายังไม่สามารถคำนวณกลศาสตร์การไหลเบื้องหลังการบินของเครื่องบินได้อย่างครบถ้วนสมบูรณ์แบบในทุกตัวแปรในทุกสมการได้เลย แต่นั่นไม่ได้แปลกอะไรเพราะสิ่งที่อยู่เบื้องหลังการบินของเครื่องบินทุกลำคือสมการนาวิเยร์-สโตกส์ (Navier-Stokes Equation) ซึ่งมีหน้าที่อธิบายว่า ของไหลจะเคลื่อนไหว เปลี่ยนรูปร่าง และเกิดแรงภายในตัวมันอย่างไรเมื่อเจอกับสิ่งกีดขวาง

ภาพจำลองกระแสอากาศที่ไหลวนรอบกระสวยอวกาศระหว่างทำการเข้าสู่ชั้่นบรรยากาศโลก ผ่านการใช้ CFD ในการจำลองและทำความเข้าใจพฤติกรรมนี้

สมการนาวิเยร์-สโตกส์เป็นสมการเชิงอนุพันธ์ย่อย (Partial Differential Equation) ซึ่งหมายความว่าสมการนี้มีตัวแปรที่ไม่ทราบค่าที่แท้จริงอยู่ ทำให้มันกลายเป็นหนึ่งในโจทย์คณิตศาสตร์ที่ยังไม่มีใครพิสูจน์คำตอบในรูปทั่วไปได้ที่สมบูรณ์แบบ และถูกจัดให้อยู่ในกลุ่ม “Millennium Prize Problems” ที่มีรางวัลถึงหนึ่งล้านดอลลาร์สหรัฐ สำหรับผู้ที่สามารถหาทางแก้ได้ ถึงอย่างนั้นเราสามารถใช้งานมันได้ ด้วยการทำให้คอมพิวเตอร์ช่วยประมาณค่าคำตอบของสมการนี้ในแต่ละจุดของพื้นที่ที่เราสนใจ และนี่คือที่มาและหัวใจหลักของสิ่งที่เรียกว่าพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ หรือ Computational Fluid Dynamics (CFD)

หลักการสำคัญของ CFD คือการประมาณค่าในโจทย์ของเรา ยกตัวอย่างเช่น หากต้องการทราบว่าอากาศจะไหลผ่านกระจกหน้ารถอย่างไร โปรแกรม CFD จะจำลองพื้นที่บริเวณนั้นออกเป็นจุดเล็ก ๆ นับล้านจุด จากนั้นจะคำนวณแรง ความเร็ว ทิศทาง และความดันของอากาศในแต่ละจุดด้วยสมการนาวิเยร์-สโตกส์

ภาพจำลองกระแสอากาศที่ไหลวนรอบเครื่องบินคองคอร์ด โดย Dr. Moritz Lehmann

ในอดีต การทดสอบว่ารถยนต์รุ่นใหม่จะสามารถลดแรงต้านอากาศได้มากแค่ไหน ต้องอาศัยการสร้างต้นแบบจริงแล้วนำไปเข้าอุโมงค์ลม ซึ่งมีค่าใช้จ่ายและเวลาในการสร้างสูงมาก แต่ด้วย CFD วิศวกรสามารถสร้างแบบจำลองของรถขึ้นในคอมพิวเตอร์ และใส่พฤติกรรมของอากาศเข้าไป จากนั้นจะสามารถสังเกตผลลัพธ์จากแรงที่เกิดขึ้นภายในเวลาไม่กี่ชั่วโมง ยกตัวอย่างเช่น รถแข่งฟอร์มูลา 1 ใช้ CFD ในการจำลองกระแสอากาศที่ไหลผ่านตัวรถในทุกตำแหน่งด้วยความละเอียดระดับมิลลิเมตร ซึ่งนั่นทำให้วิศวกรสามารถออกแบบรถแข่งที่สามารถเพิ่มแรงกด (Downforce) ทำให้รถเกาะพื้นมากขึ้น โดยไม่เพิ่มแรงต้านจนทำให้ความเร็วลดลง

อีกตัวอย่างหนึ่ง เป็นการออกแบบอากาศยานอย่างแอร์บัส เอ 350 (Airbus A350) หรือโบอิง 787 (Boeing 787) ใช้ CFD ในการจำลองกระแสอากาศในทุกตำแหน่ง ตั้งแต่ปลายปีกจนถึงช่องลมใต้ลำตัว เพื่อให้ตัวเครื่องบินมีแรงยกมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ โดยใช้พลังงานให้น้อยที่สุดและประหยัดเชื้อเพลิงให้ได้มากที่สุด

ภาพจำลองกระแสอากาศรอบตัวเครื่องบิน X-43 เครื่องบินความเร็วเหนือเสียงที่เร็วที่สุดในโลกที่ความเร็วมัค 7 ภาพจาก NASA

หรือแม้แต่ในยานอวกาศที่ต้องกลับเข้ามายังพื้นโลกหรือเดินทางเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ดวงอื่น ก็ต้องอาศัย CFD ในการจำลองตั้งแต่อากาศเริ่มไหลผ่านเมื่อปะทะกับชั้นบรรยากาศ ความเร็วของตัวยานอวกาศและกระแสลมรอบ ๆ ตัวยานเมื่อความหนาแน่นของชั้นบรรยากาศเปลี่ยนไปตามระดับความสูงไปจนถึงความร้อนที่เกิดขึ้นนั้นแผ่ขยายเข้าไปในยานอย่างไรบ้าง SpaceX เองก็ต้องจำลองกระแสอากาศที่ไหลผ่านตัวจรวดฟอลคอน 9 (Falcon 9) ระหว่างการกลับโลก ซึ่งสิ่งนี้ทำให้ SpaceX ทราบว่ากระแสอากาศที่เกิดขึ้นระหว่างที่กลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศโลกจะไหลตีเข้าไปในเครื่องยนต์จรวดส่งผลให้เครื่องยนต์จรวดจุดไม่ติด จึงนำมาสู่การทำขั้นตอนการจุดเครื่องยนต์ก่อนกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศ (Entry Burn) ซึ่งจะจุดเครื่องยนต์จรวดระหว่างที่ฝ่าชั้นบรรยากาศเพื่อสร้างชั้นอากาศห่อหุ้มล้อมรอบตัวเครื่องยนต์ สำหรับป้องกันความเสียหายของเครื่องยนต์จากกระแสลมระหว่างเข้าชั้นบรรยากาศ

แม้ว่า CFD จะเป็นสิ่งที่ทรงพลังและทำให้การออกแบบสิ่งต่าง ๆ มีประสิทธิภาพมากขึ้นอย่างมหาศาล แต่ว่ามันต้องแลกมาด้วยการใช้ทรัพยากรการประมวลผลอย่างมหาศาล ดังนั้นปัจจุบันจึงเริ่มมีการวิจัยที่นำ Machine Learning เข้ามาช่วยเหลือในการประมวลผลเพื่อทำนายพฤติกรรมการไหล โดยไม่ต้องคำนวณทุกจุดใหม่ทั้งหมด กระบวนการนี้จะช่วยประหยัดเวลาและทำให้การออกแบบระบบใหม่ ๆ เร็วขึ้นหลายเท่า หรือการใช้ควอนตัมฟิสิกส์เข้ามาเพื่ออธิบายการไหลของของไหลเพื่อทำนายได้แม่นยำและเสมือนจริงได้มากยิ่งขึ้น

เรียบเรียงโดย จิรสิน อัศวกุล
พิสูจน์อักษร ศุภกิจ พัฒนพิฑูรย์

อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS

“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech

สรุปประเด็นให้โดย Generative AI

Computational Fluid Dynamics กลศาสตร์ของไหลพลังการคำนวณคอมพิวเตอร์