شبیه سازی جریان سیال در آباکوس
این مطلب توسط آقای علی بیاری جهت انتشار در سایت ارسال شده است.
پارامتر های مربوط به حل معادلات دیفرانسیل حاکم بر مکانیک سیالات از ورژن 6.10 در نرم افزار اباکوس وارد شد. که در ابتدا دارای نواقصی از جمله عدم توانایی در حل معادلات اغتشاشی و … بود که در ورژن های بعدی این نواقص تا حد زیادی از بین رفت.
در ورژن 6.12 یک مشکل اساسی به نام Run Time Error وجود دارد که برای مدت زمان های بالای سه ساعت انالیز سبب خارج شدن از نرم افزار می شود. ولی در ورژن 6.13 این مشکل به طور کامل برطرف شد.
یکی از بزرگترین نوافص اباکوس عدم حمایت از حالت steady state می باشد. در سایت Dassault system بیان شده که در ورژن 6.13 حالت دائم اضافه شده است.
البته نرم افزار اباکوس برای تحلیل های سیالاتی مانند محیط های دو فازی، توربو ماشین ها و… طراحی نشده که امیدوارم در ورژن های بعدی این نواقص بر طرف شود.
یکی دیگر از نواقص نرم افزار اباکوس در حل معادلات مربوط به جریان مغشوش، کم بودن معادلات جریان مغشوش است. فقط پارامتر های مغشوش شامل Spalart-allmaras و K- epsilon RNG را شامل می شود.
یک حسن نرم افزار سیالاتی اباکوس راحتی در رسم هندسه می باشد. در اباکوس فقط می توان از هندسه های سه بعدی استفاده کرد. ولی صورتی که نیاز به استفاده از هندسه دو بعدی باشد می توان با رسم هندسه سه بعدی و اختصاص دادن ضخامت کم به این منظور رسید.
رسم دوبعدی:
اگر بخواهیم جریان حول یک استوانه را به صورت دو بعدی بررسی کنیم در این صورت:
[su_spoiler title=”ماژول Part” style=”fancy”]
در محیط سیالاتی، محیط سیالات که باید مورد بررسی قرار گیرد را رسم و محیط جامداتی را از آن محیط سیالاتی کات می کنیم.
بنابراین در ماژول PART یک هندسه مانند شکل بالا با ضخامت خیلی کم در حدود 0.001 متر رسم می کنیم.
[/su_spoiler]
ماژول Property
در ماژول PROPERTY از قسمت MATERIAL خواص مربوط به سیال مانند هوا یا آب یا … را وارد می کنیم.
به طور مثال برای هوا :
چگالی در دمای 30 درجه برابر 1.1644
ویسکوزیته در دمای 30 درجه برابر 18.65E-6
در صورتی که بخواهیم انالیز حرارتی انجام بدهیم پارامتر های مربوط به انتقال حرارت را وارد می کنیم مانند SPECIFIC HEAT و CONDUCTIVITY.
حال با تعریف SECTION برای هندسه یکنواخت جامد و اختصاص دادن به هندسه، هندسه را سبز رنگ می شود.
ماژول ASSEMBLY
با انتخاب حالت مستقل از مش MESH ON INSTANCE هندسه را وارد می کنیم. باید در نظر داشته باشیم که برای حل مسائل سیالاتی حتما باید حالت استقلال را انتخاب کنیم چرا که حل سیالاتی دارای حجم محاسبات بسیار زیادی است و انتخاب استقلال حش از مش حافظه کمتری را اشغال می کند و سبب افزایش سرعت انالیز می شود.
ماژول STEP
در انالیز سیالاتی مهمترین بخش مربوط به ماژول STEP می باشد. یعنی برای اینکه بتوانید یک انالیز خوب سیالاتی را انجام دهید حتما باید با مباحث CFD حداقل یک آشنایی مختصر داشته باشید.
برای تعریف STEP:
مدت زمان انالیز:
برای اغلب موارد که انالیز شامل انتقال حرارت نمی باشد می توان با انتخاب مدت زمان برابر 20 ثانیه به نتیجه مطلوب رسید.
یعنی با بیشتر قرار دادن زمان فقط زمان انالیز را افزایش داده ایم و هیچ تغییری در خروجی ندارد.
اما برای حالتی که انتقال حرارت داریم این مدت زمان بسیار مهم می باشد و تنها زمانی این مقدار بدون تاثیر می شود که مسئله به یک حالت پایا برسد.
همان طور که در بالا اشاره کردم بزرگترین نقض اباکوس عدم حمایت از حالت پایدار است که این مسئله برای حالات انتقال حرارت بسیار مهم است.
برای حالتی که مدت زمان انالیز کم می باشد توصیه می شود که پارامتر های انالیز مانند جدول بالا باشد.
یعنی حالت اتوماتیک و انتگرال گیری به صورت ذوزنقه ای
اما برای حالتی که مدت زمان انالیز زیاد است توصیه می شود که حالت فیکس انتخاب کرده و TIME INCREMENT را برابر 0.01 قرار دهیم از طرفی حل انتگرال های معادله از نوع اویلر باشد. در این مسئله ما حالت اتوماتیک را در نظر میگیریم. در صورتی که حالت فیکس را انتخاب کنیم دارای جواب های کاملا مشابه خواهد بود و توصیه می کنم شما این کار را امتحان کنید. البته برای مدت زمان انالیز کم.
برای معادلات مربوط به انتقال مانند بالا تغییرات را ایجاد کنید. اما برای معادلات فشار محدوده همگرایی را بدون تغییر بگذارید. یک توصیه بسیار مناسب برای جلوگیری از خطا هنگام RUN ان است که یک صفر جلوی ITERATION LIMIT برای سه حالت مومنتم و فشار و انتقال قرار دهیم. معادلات فشار دارای پارامتر های زیادی است که مجال توضیح دادن برای گزینه های آن نمی باشد.
اگر این کار را انجام ندهید توضیحات مربوط به خطای RUN عبارات بالا را به شما توصیه می کند.
ماژول Load
بارگذاریهای لازم برای یک تحلیل سیالاتی در ماژول load انجام می شود. برای آشنایی با بارگذاریهای سیالاتی مشابه شکلهای زیر عمل کنید.
شرایط مرزی را مشابه شکل بر روی مدل ایجاد کنید.
ورودی: (Fluid inlet)
لبه ای که در آن سیال وارد محیطی می شود که توسط هندسه مشخص شده است. معمولا سرعت ورودی را در یک جهت در نظر می گیرند و بقیه پارامتر های سرعت را صفر قرار می دهند. در صورتی که سیال ورودی همواره دارای یک دمای ثابت باشد و مسئله از نوع حل دمایی باشد می توان از همین قسمت دمای ورودی را وارد کرد. و در صورتی که مسئله دارای اغتشاش باشد میزان شدت اغتشاش را در قسمت توربولانس وارد می کنیم.
شرط تقارن بسیار مهم است که برای مسائل دو بعدی و متقارن محوری با در نظر گرفتن پارامتر های مناسب سرعت اعمال می شود.
نکته: همان طور که در شکل زیر نمایان است برای حالت SYMMETRY فقط پارامتر سرعت در جهت Z برابر صفر است و بقیه جهات را غیر فعال می گذاریم زیرا سرعت در این جهات برای ما مجهول است.
تنظیمات شرایط ممنتوم را مطابق شکل انجام دهید.
تنظیمات انرژی حرارتی را مشابه شکل انجام دهید.
خروجی:(Fluid outlet)
معمولا خروجی را برای حالتی در نظر می گیریم که به محیط منتهی شود. به طور مثال برای یک لوله آب، دارای یک ورودی است که پارامتر های سرعت برای آن تعیین می شود و چون انتهای لوله به محیط بیرون وارد می شود دارای فشار صفر است.
دیواره: (Fluid wall condition)
چون رفتار سیال بر روی دیواره مهم است لذا در صورتی که حالت واقعی مسئله دارای دیواره بوده ولی در نرم افزار دیواره ها اعمال نشود دارای خطای زیادی خواهد بود. بنابراین هنگامی که سیال از میان یک دیواره عبور می کند حتما باید پارامتر های دیواره آن را اعمال کنیم.
در این مسئله دیواره همان قسمت گردی است که نمایانگر مکان استوانه است.
نکته:در صورتی که مسئله شامل معادله انرژی باشد می توان در قسمت دیواره پارامتر های مربوط به دما ثابت یا شار حرارتی ثابت را اعمال نمود.
نکته: در صورتی که مسئله دارای معادلات انرژی است( معادله از نوع انتقال حرارت باشد) حتما یک دمای اولیه باید برای مسئله در نظر بگیریم. در صورت عدم وارد کردن دمای اولیه نرم افزار هنگام RUN گرفتن خطا گرفته و از شما می خواهد که یک دمای اولیه تعیین کنید.
ماژول Mesh
در مکانیک سیالات رفتار سیال در قسمت هایی که باید بررسی شود بسیار مهم است. بنابراین باید مش بندی به نحوی باشد که اطراف استوانه بیشترین مقدار مش را داشته باشیم و در قسمتی که مهم نمی باشد کمترین چگالی مش را داشته باشیم. لذا با چند پارتیشن بندی مناسب می توان مش بندی خوبی را بدست آورد. هرچه ساختار مش بندی منظم تر باشد( مش مربعی) جواب های دقیق تری را می توان به دست آورد.
یکی از مشکلات حل مکانیک سیالات وابستگی شدید به مش بندی است. در نرم افزار اباکوس در صورتی که مش بندی سیالاتی خیلی ریز باشد قادر به انالیز نبوده و خطا می دهد. در صورتی که مش بندی خیلی در شت باشد خطای محاسباتی بسیار زیاد می شود.
در صورتی که مش بندی مناسب نباشد خطای DIVERGENCE (RMS) را می دهد. در صورت مواجه شدن با این خطا مش بندی را کم یا زیاد کنید. این خطا یکی از بزرگترین مشکلاتی است که در هنگام انالیز به ان بر خورد می کنید. به طور مثال من یک FIN را در یک محیط سیال قرار دادم و با تعریف FSI مدت زمان حل را برابر 1200 ثانیه قرار دادم. پس از 8 ساعت RUN گیری، زمانی که INCRIMENT برابر 1199.08 شد نرم افزار خطای RMS داد.
ماژول Job
در پایان پس از تعریف JOB و RUN گرفتن:
ماژول Visualization
در ابتدا پیشنهاد می شود با استفاده از مسیر زیر مش بندی را خاموش کنید.
Common option / basic / visible edge / feature edge
و همچنین کانتکور ها را به صورت پیوسته تبدیل کنید.
Contour option / basic / contour intervals / continuous
در شکل بردار سرعت و خطوط جریان بدست آمده از نرم افزار نمایش داده شده است.
و خطوط جریان بدست آمده در حالت واقعی که توسط Van Dyke به صورت تجربی بدست آمده به صورت زیر می باشد.
72 comments