حرکت کشتی شناور در آب توسط مش پویا، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

توضیحات

شرح پروژه حرکت کشتی شناور در آب توسط مش پویا

در این پروژه به شبیه سازی حرکت کشتی شناور در آب توسط مش پویا، با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) پرداخته ایم. در این شبیه سازی، یک دامنه محاسباتی شامل آب با سطح ارتفاع معین با یک کشتی شناور روی سطح آب، طراحی شده است.

مدل حاضر با استفاده از نرم افزار ANSYS Design Modeler به صورت سه بعدی طراحی شده است. کشتی شناور مذکور در وسط سه حوزه محاسباتی مکعبی طراحی شده است. برای سهولت در شبیه سازی، کشتی شناور باید طوری طراحی شود که مرکز ثقل آن در مرکز جهت عمودی (محور z) باشد.

مش بندی مدل با استفاده از نرم افزار ANSYS Meshing انجام شده است. نوع مش بدون ساختار در نزدیکی کشتی شناور و ساختاری در قسمت های دیگر است. تعداد سلول های محاسباتی 902808 است.

روش های استفاده شده

در چنین مدل‌هایی، بر اساس نوع جابجایی در مرزهای مجاور شبکه‌ها، به تغییر لحظه‌ای و وابسته به زمان در مش بندی نیاز داریم. بنابراین مدل Dynamic Mesh تغییر آنی مش بندی را تعریف می کند. در ابتدا یک کشتی شناور برای این شبیه سازی طراحی شد و سه ناحیه محاسباتی در اطراف آن ایجاد شد. برای تعیین روش‌های مش پویا از روش‌های smoothing  و Remeshing استفاده شده است. طبق روش هموارسازی، تعداد گره ها یا اتصالات سلولی تغییر نمی کند و تنها با جابجایی یا تغییر شکل مرزها، مش یک ناحیه را تنظیم می کند. با این حال، روش remeshing زمانی استفاده می‌شود که جابجایی مرزی در مقایسه با اندازه سلول‌های محلی برای بازسازی سلول‌های مخرب محدودیت اندازه بحرانی بزرگ باشد. شش درجه آزادی (6-DOF) نیز برای تعریف نوع رفتار مش پویا استفاده شده است. مدل می تواند در شش جهت انتقالی و چرخشی حرکت و جابجا شود. برای تعریف نواحی با مش پویا، یک ناحیه مکعب مستطیلی کوچک (در اطراف کشتی شناور) به عنوان ناحیه متحرک ایجاد می شود و یک ناحیه کمی بزرگتر در اطراف بخش متحرک به عنوان ناحیه تغییر شکل تعریف می شود.

در نهایت، یک منطقه عمومی بزرگ در اطراف این مناطق به عنوان یک منطقه ثابت طراحی شده است. قسمت شناور شناور و منطقه متحرک به عنوان جسم صلب تعریف می شوند. این بدان معنی است که کشتی شناور و یک منطقه متحرک محدود به عنوان یک جسم صلب و یکپارچه عمل می کند و می تواند به صورت انتقالی یا چرخشی بدون تغییر در مش بندی حرکت کند. از آنجایی که کشتی فقط دو درجه آزادی دارد و فقط می تواند در جهت عمودی (محور z) بالا و پایین حرکت کند یا حول محور مرکزی خود (محور y) بچرخد و در جهات دیگر محدودیت دارد (هیچ گونه محدودیتی ندارد). حرکت انتقالی یا چرخشی)، از یک UDF برای تعریف این نوع حرکت با دو درجه آزادی استفاده می شود. لازم به ذکر است که در تنظیمات بخش مربوط به بدنه صلب باید مختصات فضایی مرکز ثقل شناور و محور چرخش آن به دور خود مشخص شود. کشتی به عنوان یک جسم شناور در سطح آب تعریف می شود.

باید از مدل جریان چند فازی VOF استفاده شود. به طوری که هوا در قسمت بالایی حوزه محاسباتی و آب در قسمت پایین تعریف می شود. فازهای هوا و آب با سرعتی معادل 1.44 متر بر ثانیه در جهت افقی (محور x) جریان دارند و با فشاری معادل فشار اتمسفر خارج می شوند. در مرز خروجی مدل، از شرایط Open Channel برای تعریف سطح آب استفاده می شود. با توجه به ماهیت اصلی مدل مبتنی بر استفاده از مش پویا، فرآیند شبیه سازی باید بر حسب زمان (حل کننده گذرا) تعریف شود. مدل حاضر فرآیند شبیه سازی را در 7 ثانیه با گام زمانی 0.01 ثانیه انجام می دهد.

نتایج شبیه سازی حرکت کشتی شناور

در پایان فرآیند حل، کانتور های دوبعدی مربوط به فشار روی کشتی شناور و خطوط دوبعدی مربوط به سرعت و کسر حجمی هر فاز هوا و آب در نواحی اطراف کشتی شناور به دست می‌آید. این خطوط با آخرین ثانیه از فرآیند شبیه سازی مطابقت دارند. همچنین نمودار میزان جابجایی شناور در جهت عمودی (محور z) بر حسب گذر زمان و میزان زاویه چرخش شناور حول محور مرکزی خود (محور y) بر حسب زمان می باشد. به دست آمده. این نمودارها تغییرات فضایی زاویه ای و انتقالی را در طول 7 ثانیه نشان می دهد. از آنجایی که دامنه نوسان تغییرات در دو نمودار مشخص است، تغییرات در ثانیه هفتم به حداقل خود می رسد و می توان گفت که حرکت چرخشی و انتقالی پس از این زمان میرا می شود. همچنین شکل نشان می دهد که موقعیت کشتی شناور در ثانیه هفتم در موقعیت z = 0.021 و زاویه Y_theta = 1.338 به ثبات می رسد.