تحلیل FSI جریان اطراف یک ایرفویل، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

توضیحات

شرح پروژه تحلیل FSI جریان اطراف یک ایرفویل

در این پروژه، به شبیه سازی جریان هوا در اطراف یک ایرفویل با استفاده از روش برهمکنش جامد سیال (FSI) در نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) پرداخته ایم. در این شبیه سازی یک دامنه محاسباتی دایره ای از جریان هوا طراحی شده است. به طوری که یک ایرفویل در این منطقه قرار دارد. از آنجایی که این ایرفویل با سرعت قابل توجهی حرکت می کند، جریان هوا با بدنه آن برخورد کرده و به آن نیرو وارد می کند. در این مدل، یک سوراخ دایره ای در داخل ایرفویل از تعیین مرز سطح داخلی در اطراف این دایره به عنوان تکیه گاه ثابت متمایز می شود. این مرز یا سطح دائما تحت تاثیر برهمکنش با جریان سیال قرار میگیرد و تغییر موقعیت یا تغییر شکل نمی دهد. با این حال، دو طرف ایرفویل به دلیل برخورد جریان سیال با بدنه ایرفویل جا به جا می شوند. بنابرین این مرز ها باید به عنوان جا به جایی تعریف شوند. (displacement)

مدل حاضر را با استفاده از نرم افزار ANSYS Design Modeler به صورت سه بعدی طراحی می کنیم. این مدل شامل یک حوزه محاسباتی دایره ای با قطر 4.8 متر و یک ایرفویل در داخل این ناحیه است. این ناحیه محاسباتی تنها دارای جریان هوای ورودی است و وجوه جانبی این ناحیه دارای شرایط تقارن هستند. ما مش بندی مدل را با استفاده از نرم افزار ANSYS Meshing انجام داده ایم و نوع مش بدون ساختار است. تعداد سلول های محاسباتی 56220 است.

روش های استفاده شده

با توجه به این که در این مساله، برهمکنش بین سیال و سازه وجود دارد، بنابرین در نرم افزار ANSYS Workbench از FSI استفاده کرده ایم.

هنگام استفاده از روش FSI، با توجه به تغییر ساختار مش جریان سیال در اطراف مدل هندسی، لازم است یک مش دینامیک تعریف شود. زیرا تکنیک مش پویا امکان تغییر ساختار مش مدل را به روشی وابسته به زمان می دهد. در تعیین روش های مش پویا از روش های صاف سازی و مش بندی مجدد استفاده شده است. ما باید از سیستم کوپلینگ در نرم افزار ANSYS Workbench برای تعریف برهمکنش دو طرفه مایع و جامد استفاده کنیم. برای این کار ابتدا باید مدل را در هر یک از نرم افزارهای Fluent و Transient Structural تعریف کنید و با توجه به اینکه هندسه در هر دو حالت طراحی سیال و جامد یکسان است، فرآیند حل آنها را با این سیستم کوپلینگ، جفت کنید.

ما همچنین باید یک جفت بین هندسه این دو نرم افزار ایجاد کنیم. این بدان معنی است که تغییر آنی در ساختار مش به دلیل جفت شدن با آنالیز جامد است. در نهایت، برای ایجاد اتصال یا جفت بین سیال و جامد و تعیین تأثیر آنها بر یکدیگر، انتقال داده باید تعریف شود. به این ترتیب نتایج این دو راه حل در دو نرم افزار به یکدیگر منتقل می شود. بنابراین در قسمت جفت سیستم دو انتقال داده تعریف می کنیم. بنابراین، ما باید این انتقال داده را برای یک منطقه یا مرز خاص از یک منبع به یک هدف تعریف کنیم. بنابراین از شرایط مرزی ورودی سرعت در این مرز استفاده می شود، به طوری که سرعت جریان هوا و جهت جریان هوا بر حسب زمان متغیر است. متغیر بودن در جهت جریان هوا به این معنی است که زاویه حمله ایرفویل با زمان تغییر می کند.

نتیجه شبیه سازی تحلیل FSI جریان اطراف یک ایرفویل

پس از فرآیند حل، نتایج را در هر دو نرم افزار Fluent و Transient Structural بدست می آوریم. در نرم افزار Transient Structural، ما تغییر شکل، کرنش و خطوط تنش را در سطح خارجی ایرفویل نشان می دهیم. این خطوط با ثانیه پایانی شبیه سازی (0.32 ثانیه) مطابقت دارد. در نرم افزار فلوئنت، خطوط دوبعدی مربوط به سرعت، فشار و دما را روی سطح متقارن ناحیه محاسباتی اطراف ایرفویل مذکور نشان می دهیم. این خطوط همچنین با ثانیه پایانی شبیه سازی (0.32 ثانیه) مطابقت دارند. همچنین نمودار تغییرات ضریب درگ و ضریب لیفت اعمال شده بر روی ایرفویل در طول زمان در 0.32 ثانیه ارائه می شود.