پس از آشنایی با ایرفویل‌ها و نحوه استخراج مختصات آن‌ها، گام بعدی ایجاد هندسه دقیق و مش‌بندی مناسب برای شبیه‌سازی در ANSYS Fluent است. دقت در این مراحل به طور مستقیم بر کیفیت نتایج شبیه‌سازی و همگرایی حل تأثیر می‌گذارد. در این بخش، به تفصیل به نحوه رسم ایرفویل NACA 0015 در نرم‌افزارهای طراحی هندسه ANSYS (مانند DesignModeler یا SpaceClaim) و سپس به فرآیند مش‌بندی در ANSYS Meshing با تمرکز بر جزئیات مهم می‌پردازیم.

۱. ایجاد هندسه ایرفویل NACA 0015 (Creating NACA 0015 Airfoil Geometry)

ایرفویل NACA 0015 یک ایرفویل متقارن چهار رقمی است که ۱۵ درصد ضخامت نسبی (relative thickness) دارد و نقطه بیشینه ضخامت آن در ۳۰ درصد طول وتر قرار دارد. فرآیند رسم هندسه شامل مراحل زیر است:

A. وارد کردن مختصات (Importing Coordinates)

  • منبع مختصات: ابتدا باید مختصات نقاط ایرفویل NACA 0015 را از منابع معتبر (مانند وب‌سایت‌های مربوط به ایرفویل، دیتابیس NACA یا نرم‌افزارهای تولید مختصات ایرفویل) به دست آورید. این مختصات معمولاً به صورت فایل متنی (با پسوند .dat یا .txt) شامل ستون‌های X و Y ذخیره می‌شوند.
  • نرم‌افزار DesignModeler/SpaceClaim:
  1. DesignModeler: پس از باز کردن DesignModeler، از منوی “Concept” گزینه “Sketch From Points” را انتخاب کنید. سپس فایل مختصات را وارد کرده و یک “Sketch” ایجاد کنید. نقاط وارد شده را به هم متصل کرده تا شکل ایرفویل ایجاد شود.
  2. SpaceClaim: در SpaceClaim، می‌توانید مستقیماً فایل‌های مختصات را وارد کرده و از آن‌ها برای ساخت منحنی (Curve) و سپس سطح (Surface) استفاده کنید.
  • ایجاد سطح (Surface Generation): پس از رسم خطوط ایرفویل، باید یک سطح (Surface) از آن ایجاد کنید. این کار معمولاً با استفاده از ابزارهای “Fill” یا “Surface From Edges” انجام می‌شود تا یک سطح دو بعدی از ایرفویل به دست آید.
  • تعریف دامنه جریان (Defining the Computational Domain): برای شبیه‌سازی جریان خارجی، باید یک دامنه محاسباتی (Computational Domain) اطراف ایرفویل ایجاد شود.
  • شکل دامنه: معمولاً یک دامنه مستطیلی یا C-شکل (C-grid) برای جریان خارجی ایرفویل مناسب است. دامنه C-grid به دلیل انطباق بهتر با شکل ایرفویل و کنترل مش در اطراف لبه فرار (trailing edge)، اغلب ترجیح داده می‌شود.
  • اندازه دامنه: ابعاد دامنه باید به اندازه‌ای بزرگ باشد که اثرات مرزهای خارجی بر جریان اطراف ایرفویل ناچیز باشد. به عنوان یک قاعده کلی، مرزهای ورودی/خروجی و بالا/پایین باید حداقل ۱۰ تا ۲۰ برابر طول وتر (Chord Length) ایرفویل از آن فاصله داشته باشند. این فاصله باعث می‌شود تا شرایط “Free-Stream” در مرزهای خارجی به خوبی برقرار شود.

۲. مش‌بندی دامنه در ANSYS Meshing (Meshing the Domain in ANSYS Meshing)

مش‌بندی یکی از مهم‌ترین مراحل در شبیه‌سازی CFD است که نیازمند دقت و توجه به جزئیات است. مش‌بندی نامناسب می‌تواند منجر به نتایج غیردقیق، همگرایی ضعیف یا عدم همگرایی حل شود.

A. تنظیمات کلی مش (General Mesh Settings)

  • روش مش‌بندی (Meshing Method):
  • Structured Mesh (مش ساخت‌یافته): اگر هندسه ساده باشد (مانند دامنه مستطیلی)، می‌توان از مش ساخت‌یافته با کیفیت بالا استفاده کرد. این نوع مش‌ها معمولاً برای حلگرهای Density-Based کارایی بالایی دارند.
  • Unstructured Mesh (مش ساختارنیافته): برای هندسه‌های پیچیده‌تر، از مش ساختارنیافته (با سلول‌های مثلثی یا چهاروجهی در 2D و چهاروجهی یا هگزاگونال در 3D) استفاده می‌شود.
  • Hybrid Mesh: ترکیبی از هر دو، به عنوان مثال، مش ساخت‌یافته در نزدیکی ایرفویل و مش ساختارنیافته در دورتر.
  • اندازه المان (Element Size): اندازه کلی سلول‌ها در دامنه. باید دقت شود که سلول‌ها در نزدیکی ایرفویل و در مناطق با گرادیان‌های بالا (مانند لایه مرزی) کوچک‌تر باشند.

B. تمرکز بر لایه مرزی (Boundary Layer Meshing - Inflation Layers)

لایه مرزی (Boundary Layer) ناحیه‌ای باریک در نزدیکی سطح ایرفویل است که گرادیان‌های سرعت، فشار و دما در آن بسیار شدید هستند. مدل‌سازی دقیق این ناحیه برای پیش‌بینی صحیح نیروی پسا (Drag) و جدایش جریان (Flow Separation) حیاتی است.

  • Inflation Layers (لایه های تورمی): این لایه‌ها، سلول‌های مستطیلی (در 2D) یا منشوری (در 3D) را به صورت منظم در نزدیکی دیواره ایرفویل ایجاد می‌کنند.
  • First Layer Height: ارتفاع اولین سلول از دیواره. این پارامتر به طور مستقیم با y+y^+y+ (y-plus) مرتبط است.
  • y+y^+y+: یک عدد بی‌بعد است که فاصله اولین گره مش از دیواره را در واحد طول لایه زیرلایه چسبنده (Viscous Sublayer) نشان می‌دهد.
  • برای مدل‌های توربولانس با تفکیک لایه مرزی (Wall-Resolved Models) مانند k-omega SST: y+y^+y+ باید نزدیک ۱ باشد (y+≈1y^+ \approx 1y+≈1).
  • برای مدل‌های توربولانس با تابع دیواره (Wall-Function Models) مانند Standard k-epsilon: y+y^+y+ باید بین ۳۰ تا ۳۰۰ باشد.
  • انتخاب y+y^+y+ صحیح برای مدل توربولانس انتخابی، کیفیت نتایج را به شدت بهبود می‌بخشد.
  • Growth Rate: نرخ افزایش اندازه سلول‌ها از دیواره به سمت خارج از لایه مرزی. معمولاً بین ۱.۱ تا ۱.۲۵ انتخاب می‌شود.
  • Number of Layers: تعداد لایه‌های تورمی. این تعداد باید به اندازه‌ای باشد که تمام لایه مرزی را پوشش دهد.
  • روش محاسبه First Layer Height از y+y^+y+:

برای محاسبه ارتفاع اولین لایه مش (First Layer Height) با توجه به y+y^+y+ مورد نظر، می‌توان از فرمول‌های تقریبی زیر استفاده کرد:

δy=y+⋅νu∗ \delta y = y^+ \cdot \frac{\nu}{u^*} δy=y+⋅u∗ν​

که در آن ν\nuν ویسکوزیته کینماتیک سیال و u∗u^*u∗ سرعت اصطکاکی است. سرعت اصطکاکی را می‌توان از روابط تجربی یا تخمین اولیه (مانند u∗≈τw/ρu^* \approx \sqrt{\tau_w/\rho}u∗≈τw​/ρ​ که τw\tau_wτw​ تنش برشی دیواره است) به دست آورد. Fluent دارای یک ابزار داخلی برای تخمین y+y^+y+ بر اساس پارامترهای جریان و اندازه سلول است.

C. پالایش مش (Mesh Refinement)

  • Refinement در لبه فرار (Trailing Edge) و لبه حمله (Leading Edge): این نواحی از ایرفویل دارای گرادیان‌های شدید فشار و سرعت هستند، بنابراین نیاز به پالایش مش بیشتری دارند.
  • Curvature/Proximity Refinement: از ابزارهای پالایش مبتنی بر انحنای هندسه یا نزدیکی به لبه‌ها استفاده کنید تا مش در مناطق مهم به صورت خودکار ریز شود.
  • Scope (تنظیمات موضعی): می‌توانید تنظیمات اندازه سلول و Inflation را به صورت موضعی (Local Sizing) برای بخش‌های خاصی از هندسه (مانند لبه فرار) اعمال کنید تا کنترل بیشتری بر کیفیت مش داشته باشید.

D. بررسی کیفیت مش (Mesh Quality Check)

پس از مش‌بندی، بررسی کیفیت مش در ANSYS Meshing ضروری است. معیارهای مهم کیفیت مش عبارتند از:

  • Orthogonal Quality: باید تا حد امکان بالا باشد (نزدیک ۱). مقادیر کمتر از ۰.۱ معمولاً مشکل‌ساز هستند.
  • Skewness: باید تا حد امکان پایین باشد (نزدیک ۰). مقادیر بیشتر از ۰.۸-۰.۸۵ می‌تواند به همگرایی و دقت حل آسیب بزند.
  • Aspect Ratio: نسبت طول به عرض سلول. در لایه مرزی می‌تواند بالا باشد، اما در سایر نقاط دامنه باید کنترل شود.
  • مشاهدات بصری: همیشه مش را به صورت بصری در نواحی مهم بررسی کنید تا از انتقال صحیح و مناسب اندازه سلول اطمینان حاصل کنید.

مش‌بندی با کیفیت بالا، به ویژه در اطراف ایرفویل و در لایه مرزی، کلید یک شبیه‌سازی CFD موفق است. صرف زمان کافی در این مرحله، از مشکلات بعدی در مرحله حل جلوگیری می‌کند.

کلیدواژه ها : رسم هندسه-Geometry Creation-NACA 0015-ایرفویل-Airfoil-ANSYS DesignModeler-ANSYS SpaceClaim-مش‌بندی-Meshing-ANSYS Meshing-دامنه محاسباتی-Computational Domain-لایه مرزی-Boundary Layer-Inflation Layers-y-plus-y±کیفیت مش-Mesh Quality-Orthogonal Quality-Skewness-Aspect Ratio-پالایش مش-Mesh Refinement-لبه فرار-Trailing Edge-لبه حمله-Leading Edge-CFD-شبیه‌سازی-Simulation