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.