آموزش شبیه سازی قفس پرورش ماهی شناور بر روی آب دریا با استفاده از روش FSI

آموزش شبیه سازی قفس پرورش ماهی شناور بر روی آب دریا با استفاده از روش FSI


با خرید این محصول، ویدئوی آموزش شبیه سازی قفس پرورش ماهی شناور بر روی آب دریا 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 قفس پرورش ماهی شناور بر روی آب دریا با استفاده از روش FSI

شرح مسأله

مسأله حاضر به شبیه سازی قفس پرورش ماهی (fish cage culture) شناور بر روی سطح آب دریا با استفاده از روش تقابل جامدات و سیالات (fluid solid interaction or FSI) در نرم افزار ansys fluent پرداخته است.

نگهداری و پرورش ماهی درون قفس یکی از موضوع های جدید مورد بررسی در زمینه پرورش ماهی محسوب می شود. با استفاده از این قفس می توان بخشی از آب دریا، دریاچه، آب پشت سد و ….. را از آب های اطراف و کف توسط ابزارهای مختلفی مثل توری جداسازی نمود و سپس می توان در این ناحیه محصور شده، ماهی ها را پرورش داد. مزیت این قفس ها نسبت به استخرهای پرورش ماهی در این است که هزینه سرمایه گذاری پایین تری دارند، امکان توسعه یا قابلیت جابجایی دارند، ماهی ها در یک فضای محدود محصور می شوند و این گونه انرژی کمتر مصرف می شود، و همچنین قابلیت استفاده از آب های طبیعی دریا و استفاده از غذاهای طبیعی و زنده را فراهم می کند. این قفس ها می توانند در حالت های ثابت، شناور، غوطه ور و ….. بر روی جریان آب دریا قرار بگیرند. قفس های نوع شناور به شکلی طراحی می شوند که توری آنها توسط یک حلقه یا چارچوب مشخص نگهداری می شود.

در این شبیه سازی، یک ناحیه محاسباتی از آب دریا شامل آب و هوا با سطح مشخصی از آب طراحی شده است؛ به طوری که یک قفس پرورش ماهی درون این ناحیه قرار گرفته است. قفس ماهی به صورت حلقه ای مدل شده است و برای کاهش هزینه محاسباتی، به صورت نیمه طراحی شده است. با توجه به این که این قفس پرورش ماهی درون ناحیه محاسباتی به صورت شناور است، جریان آب دریا با این قفس برخورد می کند و درنتیجه، 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 system 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 دیواره قفس ماهی 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.

سپس برای تعریف مرز مورد نظر در نرم افزار transient structural باید از قیدگذاری در مرزها استفاده کرد. در این مدل باید مرزهای قفس موجود در صفحه تقارن را به صورت فیکس یا fixed support تعریف کرد؛ یعنی این مرزها تحت تأثیر تقابل با جریان سیال به صورت ثابت بوده و تغییر مکان یا تغییر شکل نمی دهند. این در حالی است که سایر مرزهای جامداتی قفس، همگی بر اثر برخورد جریان سیال دچار تغییر مکان موقعیتی می شوند و از این رو، باید این مرزها را به صورت قابل تغییر مکان یا displacement تعریف کرد. همچنین در تنظیمات این نرم افزار باید مقدار گام زمانی فرایند شبیه سازی و مدت زمان انجام شبیه سازی را منطبق با تنظیمات حل در نرم افزار fluent 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 structural 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 با توجه به این که قفس پرورش ماهی مورد نظر درون یک ناحیه محاسباتی دارای دو فاز آب دریا و هوا حرکت می کند، باید از مدل جریان چندفازی VOF استفاده شود؛ به طوری که در بخش بالای ناحیه محاسباتی هوا و در بخش پایین آن آب دریا تعریف گردد. از آنجایی که فرض ما بر این است که قفس ماهی درون آب دریا به صورت شناور قرار گرفته است، رفتار موجی برای جریان آب ورودی به ناحیه محاسباتی تعریف شده است. برای این کار باید گزینه open channel wave BC فعال گردد. بنابراین جریان آب و هوای ورودی با سرعت جریان متوسط برابر با 3.08 متربرثانیه در راستای افق (محور y) وارد می شود؛ به طوری که جریان آب دریا دارای قعر در ارتفاع معادل 15- متر و قله در ارتفاع معادل 0 متر می باشد. نهایتاً جریان آب و هوا با فشاری برابر با فشار اتمسفر از ناحیه محاسباتی خارج می شوند.

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 0.05 ثانیه با گام زمانی برابر با 0.01 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 دارای جریان آب دریا و هوا بوده و یک قفس پرورش ماهی به صورت حلقوی درون این ناحیه طراحی شده است. با توجه به این که مدل دارای ساختار کاملاً متقارن است، برای کاهش هزینه محاسباتی، مدل به صورت نیمه طراحی شده است. این ناحیه محاسباتی دارای یک مقطع تحت عنوان ورودی و یک مقطع تحت عنوان خروجی می باشد 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 4922130 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 فشار (pressure-based) صورت گرفته است.
  • شبیه سازی فقط در حالت سیالاتی انجام گرفته است و به انرژی و انتقال حرارت نپرداخته 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 سیال معادل با 9.81- متربرمجذ ورثانیه و در راستای محور z در نظر 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. تمام نتایج مربوط به ثانیه پایانی (0.05 ثانیه) فرایند شبیه سازی می باشد.

در نرم افزار transient structural، کانتورهای تغییر شکل (deformation)، کرنش و تنش بر روی سطح بدنه این قفس پرورش ماهی به دست آمده است.

در نرم افزار fluent، کانتورهای دو بعدی مربوط به سرعت، فشار، کسر حجمی آب و کسر حجمی هوا بر روی صفحه میانی (همان صفحه تقارن) به دست آمده است. همچنین کانتور مقدار فشار بر روی سطح بدنه این قفس پرورش ماهی به دست آمده است. علاوه بر این سعی شده است که سطح رویی موج آب دریا حاصل شده و سپس کانتورهای دو بعدی مربوط به فشار و سرعت و همچنین بردارهای سرعت بر روی آن نشان داده شود.

 

 

 

 

 

نقد وبررسی

نقد بررسی یافت نشد...

اولین نفر باشید که نقد و بررسی ارسال میکنید... “آموزش شبیه سازی قفس پرورش ماهی شناور بر روی آب دریا با استفاده از روش FSI”

پیگیری سفارش
لیست مقایسه
شگفت انگیز ها
you tube
logo-samandehi