آموزش شبیه سازی جریان هوا حول یک ایرفویل با استفاده از روش FSI

آموزش شبیه سازی جریان هوا حول یک ایرفویل با استفاده از روش FSI


750,000 تومان

( آخرین بروزرسانی : 14 شهریور, 1401 )

بررسی اجمالی محصول

با خرید این محصول، ویدئوی آموزش شبیه سازی جریان هوا حول یک ایرفویل با استفاده از روش FSI در نرم افزار ansys fluent به همراه فایل شبکه بندی آن (msh.) را دریافت خواهید کرد.

نقد و بررسی : آموزش شبیه سازی جریان هوا حول یک ایرفویل با استفاده از روش FSI

شرح مسأله

مسأله حاضر به شبیه سازی جریان هوا پیرامون یک ایرفویل با استفاده از روش تقابل جامدات و سیالات (fluid solid interaction or FSI) در نرم افزار ansys fluent پرداخته است.

در این شبیه سازی، یک ناحیه محاسباتی از جریان هوا به صورت دایروی طراحی شده است؛ به طوری که یک عدد ایرفویل درون این ناحیه قرار گرفته است. با توجه به این که این ایرفویل با سرعتی قابل توجه در حال حرکت در فضای هوا هست، جریان هوا با بدنه آن برخورد پیدا کرده و به آن نیرو وارد می کند. درنتیجه می توان گفت که تقابل دوطرفه بین سیال و جامد اتفاق می افتد. بنابراین باید از روش FSI در محیط نرم افزار ansys workbench استفاده کرد.

در زمان استفاده از روش FSI به دلیل وقوع تغییر در ساختار شبکه بندی جریان سیال اطراف مدل هندسی، نیاز به تعریف مش دینامیکی (dynamic mesh) می باشد؛ زیرا تکنیک مش دینامیکی امکان تغییر ساختار شبکه بندی مدل را به صورت وابسته به زمان فراهم می کند. در بخش تعیین روش های مش دینامیکی، از روش های smoothing و remeshing استفاده شده است. براساس روش smoothing، تعداد گره ها یا اتصالات بین شبکه ای تغییری نمی کند و فقط به تنظیم مش یک ناحیه با جابجایی یا تغییر شکل مرزها می پردازد. این در حالی است که از روش remeshing برای مواقعی استفاده می شود که جابجایی مرزها در مقایسه با سایز سلول های محلی بزرگ باشد تا به بازسازی سلول های مخرب حد بحرانی سایز بپردازد.

برای تعریف تقابل دو طرفه سیال و جامد باید از system coupling در نرم افزار ansys workbench استفاده کرد. برای این کار ابتدا باید مدل را در هر یک از نرم افزارهای fluent و transient structural تعریف کرده و سپس فرایند حل آنها را با این systemm coupling کوپل کرد و همچنین با توجه به این که هندسه در هر دو حالت طراحی سیالاتی و جامداتی یکسان است، باید بین geometry مربوط به هر یک از این دو نرم افزار نیز کوپل برقرار کرد.

حال باید دیواره ها یا مرزهایی از مدل مورد نظر که تحت تأثیر تقابل جامد و مایع است را در محیط نرم افزارهای fluent و transient structural تعریف کرد.

برای تعریف مرز مورد نظر در نرم افزار fluent باید از dynamic mesh استفاده کرد؛ زیرا شبکه بندی اطراف مرزهای جامد به دلیل تغییر شکل جامداتی دچار تغییر در گذر زمان می شود و درنتیجه باید مش اطراف این مرزها را متحرک در نظر گرفت. برای این کار باید مرز مربوط به بدنه دور ایرفویل در بخش مش دینامیکی در حالت system coupling تعریف گردد. این بدین معناست که تغییر لحظه ای ساختار شبکه ها، بر اثر کوپل شدن با آنالیز جامداتی است.

برای تعریف مرز مورد نظر در نرم افزار transient structural باید همان سطح مربوط به بدنه پیرامونی ایرفویل را تحت عنوان fluid solid interface یعنی مرز تحت تقابل سیال و جامد تعریف کرد. سپس باید برای تعریف نحوه اثرگذاری بر روی جسم جامد از قیدگذاری در مرزها استفاده کرد. در این مدل، یک حفره دایروی درون ایرفویل متمایز شده است تا مرز مربوط به سطح داخلی پیرامون این دایره به صورت فیکس یا fixed support تعریف گردد؛ یعنی این مرز یا سطح تحت تأثیر تقابل با جریان سیال به صورت ثابت بوده و تغییر مکان یا تغییر شکل نمی دهد. این در حالی است که دو وجه جانبی ایرفویل بر اثر برخورد جریان سیال به بدنه ایرفویل، دچار تغییر مکان می شوند و از این رو، باید این مرزها را به صورت قابل تغییر مکان یا displacement تعریف کرد.

درنهایت برای ایجاد ارتباط یا کوپل کردن بین حل های سیالاتی و جامداتی و تعریف اثرگذاری آنها بر روی یک دیگر، باید data transfer تعریف کرد؛ بدین ترتیب که نتایج این دو حل در دو نرم افزار مذکور به یک دیگر منتقل گردند. بنابراین، باید دو انتقال داده در بخش system coupling تعریف گردد؛ بدین ترتیب که این انتقال داده ها برای یک ناحیه یا مرز مشخص باید از یک مرجع (source) به یک هدف (target) تعریف گردد. برای این کار باید یک انتقال داده از دیواره مدل در نرم افزار fluent به همان دیواره مدل در نرم افزار transient strauctural به صورت نیرو یا force تعریف شود. این بدین معناست که جریان سیال اطراف دیواره مذکور با برخورد به دیواره، به آن نیرو وارد می کند. همچنین باید یک انتقال داده از دیواره مدل درنرم افزار transient structural به همان دیواره مدل در نرم افزار fluent به صورت جابجایی یا displacement تعریف شود. این بدین معناست که دیواره با تغییر مکان بر روی جریان سیال اطراف خود اثر می گذارد.

لازم به ذکر است که در مدلسازی حاضر، یک ناحیه محاسباتی دایروی برای تعریف جریان هوا در نظر گرفته شده است که دورتادور آن به عنوان مرز ورودی جریان هوا تعریف شده است. بنابراین در این مرز از شرط مرزی سرعت ورودی استفاده شده است؛ به طوری که اندازه سرعت جریان هوا و جهات جریان یافتن هوا نسبت به زمان متغیر است. متغیر بودن جهت جریان هوا به معنی متغیر بودن زاویه حمله ایرفویل نسبت به زمان می باشد. بنابراین برای تعیین اندازه سرعت متغیر و برای تعیین زاویه حمله متغیر از تابع UDF استفاده شده است.

با توجه به ماهیت اصلی مدل مبنی بر استفاده از مش متحرک، باید فرایند شبیه سازی از نظر زمانی به صورت ناپایا تعریف گردد که در مدل حاضر، فرایند شبیه سازی در مدت زمان 0.32 ثانیه و با گام زمانی برابر با 0.0005 ثانیه انجام گرفته است. از آنجایی که فرایند شبیه سازی در هر دو نرم افزار سیالاتی و جامداتی انجام می شود، باید بازه زمانی مشابه برای هر دو نرم افزار تعریف گردد.

 

 

گام اول) ترسیم هندسه و شبکه بندی

مدل حاضر به صورت سه بعدی و با استفاده از نرم افزار design modeler طراحی شده است. مدل شامل یک ناحیه محاسباتی دایروی به قطر 4.8 m بوده و یک عدد ایرفویل درون این ناحیه طراحی شده است. این ناحیه محاسباتی فقط دارای جریان هوای ورودی بوده و وجه های جانبی این ناحیه دارای شرط تقارنی (symmetry) می باشند.

 

 

 

شبکه بندی مدل حاضر با استفاده از نرم افزار ansys meshing انجام گرفته است. شبکه بندی در این مدلسازی به صورت بدون سازمان انجام گرفته و تعداد سلول های تولیدی در این شبکه بندی برابر با 56220 می باشد.

 

 

 

گام 2) مراحل شبیه سازی

برای شبیه سازی مدل حاضر، چند فرض در نظر گرفته شده است که عبارتند از:

  • شبیه سازی براساس دیدگاه مبتنی بر چگالی (density-based) صورت گرفته است؛ زیرا سرعت جریان هوا بالاست.
  • شبیه سازی در هر دو حالت سیالاتی و انتقال حرارتی انجام گرفته است.
  • مدل حاضر از نظر زمانی ناپایا (unsteady) می باشد؛ زیرا مدل حاضر دارای مش دینامیکی و متغیر نسبت به زمان است.
  • اثر گرانش زمین (gravity) بر روی مدل نادیده گرفته شده است.

 

خلاصه ای از مراحل تعریف مسأله و تعریف حل آن در جدول زیر آمده است :

 

 

 

گام سوم) نتایج نهایی

پس از پایان فرایند حل، نتایج کار در هر دو نرم افزار سیالاتی و جامداتی حاصل شده است.

در نرم افزار transient structural، کانتورهای تغییر شکل (deformation)، کرنش و تنش بر روی سطح وجه های جانبی ایرفویل به دست آمده است. این کانتورها مربوط به ثانیه پایانی (0.32 s) فرایند شبیه سازی می باشد.

در نرم افزار fluent، کانتورهای دو بعدی مربوط به سرعت، فشار و دما بر روی سطح تقارنی ناحیه محاسباتی دور ایرفویل مذکور به دست آمده است. این کانتورها نیز مربوط به ثانیه پایانی (0.32 s) فرایند شبیه سازی می باشد. همچنین نمودار تغییرات ضریب درگ و ضریب لیفت اعمالی بر روی ایرفویل در گذر زمان در مدت زمان 0.32 s به دست آمده است.

 

 

 

 

 

 

 

دیدگاه

دیدگاهی ثبت نشده.

اولین نفری باشید که نظر می دهید برای “آموزش شبیه سازی جریان هوا حول یک ایرفویل با استفاده از روش FSI”