شرحی بر روش Fluid Solid Interactions یا FSI
مقدمه ای بر FSI
روش تعامل سیال و سازه (FSI) برای مواقعی که جریان سیال اثر متقابل بر روی سازه ها و اجسام میگذارد، مورد استفاده قرار میگیرد. جریان میتواند فشار یا بارهای حرارتی بر روی اجسام جامد ایجاد کند. این بارهای اعمالی ممکن است به اندازهای موجب تغییر شکل سازهای گردد که بر روی خود جریان سیال نیز اثرگذار شود (1-way) و یا تغییر شکل در حدی باشد که تأثیرش بر روی خود سیال نادیده گرفته شود. درواقع جسم جامد میتواند بر اثر نیروهای خارجی اعمالی به خود، تغییر شکل داده یا جابه جا شود و از طرفی دیگر، سیال را براند یا بارهای حرارتی بر روی سیال عمل نماید. میتوان روش FSI را بر اساس درجه ی کوپل فیزیکی بین سیال و سازه دستهبندی کرد (weak و strong و very strong) و همچنین میدان های حل را نیز بر اساس قدرت کوپل عددی تقسیم بندی کرد (1-way و 2-way). تقسیم بندی های مذکور را میتوان تحت عنوان دیدگاه های مدلسازی برای حالتهای مختلف مدلسازی به صورت نمودار زیر شکل داد:
اتصال چندگانه ی داده های در دسترس در محیط workbench میتوانند به صورت زیر تقسیم بندی میشوند:
static data transfer (انتقال داده ی استاتیکی)
- حل fluent و mechanical انجام میگیرد و نتایج آن برای ایجاد بارها و شرایط مرزی در fluent و mechanical استفاده میشود.
- همیشه انتقال به صورت 1-way میباشد.
- در چند حالت انتقال داده صورت میدهد که عبارتند از: 1-اتصال های شماتیکی پروژهای مستقیم 2-اتصال داده های خارجی به mechanical 3-اتصال داده های خارجی به system coupling 4-تولید فایل بار مکانیکی از طریق پنل نقشه کشی فلوئنت 5-خروجی دستی بارها از cfd-post
co-simulation (شبیه سازی همزمان)
- حلگرهای fluent و MAPDL به صورت همزمان با تبادل داده ها حل را انجام میدهند.
- انتقال هم میتواند به صورت 1-way باشد و هم میتواند یه صورت 2-way باشد.
- کوپل نیروهای سطحی و یا جابه جایی را جوابگو میباشد.
- هم برای مدل های پایا و هم برای مدل های ناپایا استفاده میشود.
برای انتخاب بهترین روش اتصال داده ها، باید به نکاتی شامل 1-way یا 2-way بودن انتقال دادهها، پایا یا ناپایا بودن مدل، حرارتی یا نیرویی و جابه جایی بودن داده های مورد نظر جهت انتقال و ….. توجه کرد.
روش تحلیل FSI :
یکی از کاربردهای مهم نرمافزار انسیس، قابلیت تحلیل همزمان سیالاتی و جامداتی میباشد. درواقع، این نرمافزار این امکان را به ما میدهد که از تکنیک تعامل سیال و جامد (fluid structure interactions) جهت ایجاد ارتباط بین تحلیل سیالاتی و تحلیل جامداتی و بررسی چگونگی رفتار متقابل بین سازه و سیال استفاده نمود که به اختصار FSI نامیده میشود. هرگاه هدف از مسأله، بررسی تأثیر جریان سیال بر روی جسم جامد موجود درون سیال بود، از روش فوق استفاده میگردد. به عنوان مثال، برای شبیهسازی حرکت توربین آب درون جریان آب و اثرگذاری جریان آب بر روی پرههای توربین از لحاظ تغییر طول تولیدی بر روی بدنهی توربین، از روش مذکور استفاده شده است.
استفاده از تکنیک dynamic mesh :
هرگاه مدل مسأله به گونهای بود که بخش مش بندی شده ی سیال نیاز به تغییرات لحظه ای مش بر اثر گذر زمان داشت، از تکنیک مش دینامیکی استفاده میکردد. درواقع، در مسائلی که ناحیه ی تعریفی مخصوص سیال و مرزهای آن، در حین شبیه سازی دچار جابه جایی شد، باید از مش متحرک استفاده نمود تا سلول های موجود در شبکه بندی به صورت لحظه ای تغییر شکل داده و یا جابه جا گردند. برای مدل حاضر از روشهای تغییر مش smoothing و remeshing استفاده کرد؛ به طوری که این روش ها قابلیت تغییر شکل مش را به طور لحظه ای فراهم میکنند. البته از remeshing برای مواقعی مه تغییرات مش حساسیت بیشتری دارد، استفاده میگردد که میتوان به صوت دستی محدودهای از اندازه ی المان های ماکزیمم و مینیمم را در بخش maximum and minimum length scale برای اعمال تغییر مش تعیین کرد. در بخش مربوط به dynamic mesh zone باید نواحی یا مرزهایی از مدل را که باید تحت تأثیر تغییر مش قرار بگیرند را تعریف نمود؛ به طوری که از deforming برای تغییر مرزها در ناحیه (سیال اطراف یک جسم متحرک یا یک جسم دارای تغییر مرز)، از rigid body برای تغییر مرز جسمی که متحرک میباشد و مرزهایش صرفاً انتقال پیدا میکنند اما خود مرزها دچار تغییر شکل نمیشوند، از stationary برای جسمی که کلا ثابت میباشد و نهایتاً از system coupling برای مواقع دارای حل FSI و کوپل حل سیالاتی با حل سازهای (مثل مسألهی کنونی) استفاده میگردد.
تنظیمات مربوط به بخش تحلیل سازهای (transient stractural) :
در بخش مربوط به analysis setting، گام زمانی حل مسأله، مدت زمان حل و زمان انتهایی حل تعرف میگردد که زمان حل باید منطبق با زمان حل در حل سیالاتی مسأله در فلوئنت باشد. سپس میتوان برای مرزهای جسم جامد موجود در جریان سیال در مسألهی حاضر قیدگذاری کرد؛ به طوری که از قید fixed support برای ثابت فرض کردن دیوارههایی که تحت تأثیر جریان سیال قرار نمیگیرند و از قید fluid solid interface برای تعریف دیواره هایی که تحت تأثیر جریان سیال دچار تغییر اندازه میشوند، استفاده میگردد.
تحلیل کوپل سیال و سازه (system coupling) :
برای ایجاد ارتباط بین نتایج حاصل از تحلیل سیالاتی و سازهای و اثرگذاری آنها بر یکدیگر، باید چندین data transfer تعریف کرد؛ به طوری که ابتدا ناحیه ی مورد نظر جهت تغییر شکل در بخش fluid flow به عنوان source پارامتر نیرو (force) را بر روی همان ناحیه در بخش transient structural به عنوان target اعمال مینماید و سپس همین ناحیه در بخش transient structural به عنوان source موجب تغییر در displacement در بخش fluid flow میگردد.