شبیه سازی ایرفویل در انسیس فلوئنت

س از رسم هندسه و مش‌بندی ایرفویل، گام نهایی در فرآیند تحلیل آیرودینامیکی، راه‌اندازی و اجرای شبیه‌سازی در ANSYS Fluent است. در بسیاری از کاربردهای هوانوردی و توربوماشینری، سرعت جریان به حدی می‌رسد که تغییرات چگالی سیال (معمولاً هوا) قابل اغماض نیست. در این حالت، جریان به عنوان “تراکم‌پذیر” (Compressible Flow) در نظر گرفته می‌شود و مدل‌سازی آن در Fluent نیازمند تنظیمات خاصی است. این بخش به تفصیل به شبیه‌سازی جریان تراکم‌پذیر روی ایرفویل با استفاده از ANSYS Fluent می‌پردازد.

۱. مقدمه‌ای بر جریان تراکم‌پذیر (Introduction to Compressible Flow)

زمانی که سرعت جریان سیال به حدود ۰.۳ ماخ (Mach Number) یا بیشتر می‌رسد، چگالی سیال دیگر ثابت فرض نمی‌شود و با تغییرات فشار و دما، چگالی نیز تغییر می‌کند. این پدیده به عنوان “تراکم‌پذیری” شناخته می‌شود. در جریان‌های تراکم‌پذیر، پدیده‌هایی مانند امواج شوک (Shock Waves)، انبساط (Expansion) و تراکم (Compression) می‌توانند به طور قابل توجهی بر روی نیروهای آیرودینامیکی (برآ و پسا) و توزیع فشار و دما در اطراف ایرفویل تأثیر بگذارند.

عدد ماخ (Mach Number): نسبت سرعت جریان به سرعت صوت در آن محیط را عدد ماخ می‌نامند ($M=V/a$M=V/a).

• M<0.3: جریان تراکم‌ناپذیر (Incompressible)
• 0.3≤M<0.8: جریان زیرصوت تراکم‌پذیر (Subsonic Compressible)
• 0.8≤M<1.2: جریان گذرصوت (Transonic)
• $M\approx 1$M≈1: جریان صوتی (Sonic)
• $M>1.2$M>1.2: جریان مافوق صوت (Supersonic)

۲. راه‌اندازی شبیه‌سازی در ANSYS Fluent (Setting Up the Simulation in ANSYS Fluent)

پس از انتقال مش از ANSYS Meshing به Fluent، مراحل زیر برای شبیه‌سازی جریان تراکم‌پذیر ضروری است:

A. تنظیمات عمومی (General Settings)

1. نوع حلگر (Solver Type):

• برای جریان‌های تراکم‌پذیر، حتماً از Density-Based Solver استفاده کنید. این حلگر برای حل معادلات کوپل شده مومنتوم و انرژی، به ویژه در سرعت‌های بالا و وجود امواج شوک، مناسب‌تر است.
• Time: معمولاً برای حالت پایدار (Steady-State) تحلیل می‌شود.

B. مدل‌ها (Models)

1. معادله انرژی (Energy Equation):

• در جریان‌های تراکم‌پذیر، تغییرات دما و انرژی داخلی سیال اهمیت دارد، بنابراین حتماً Energy Equation را فعال (On) کنید.

1. مدل ویسکوز (Viscous Model - Turbulence Model):

• انتخاب مدل توربولانس مناسب برای جریان‌های تراکم‌پذیر بسیار حیاتی است. مدل‌هایی مانند k-omega SST، Spalart-Allmaras یا Realizable k-epsilon معمولاً عملکرد خوبی دارند.
• SST k-omega: برای جدایش جریان و لایه‌های مرزی تحت گرادیان فشار معکوس مناسب است.
• Spalart-Allmaras: برای لایه‌های مرزی و جریان‌های آیرودینامیکی بیرونی مناسب است، به ویژه در سرعت‌های بالا.
• مطمئن شوید که مش‌بندی در لایه مرزی (به ویژه $y^{+}$y+) با مدل توربولانس انتخابی شما سازگار است.

C. مواد (Materials)

1. سیال عامل (Fluid):

• “Air” را انتخاب کرده و خواص آن را تعریف کنید.
• Density: از “Constant” به “Ideal Gas” تغییر دهید. این گزینه به Fluent اجازه می‌دهد تا چگالی را بر اساس معادله گاز ایده‌آل ($P=\rho RT$P=ρRT) محاسبه کند.
• Viscosity: از “Constant” به “Sutherland” تغییر دهید تا ویسکوزیته بر حسب دما تغییر کند، که در جریان‌های تراکم‌پذیر اهمیت دارد.
• Specific Heat (Cp): از “Constant” به “Ideal Gas” تغییر دهید.

D. شرایط مرزی (Boundary Conditions)

1. ورودی (Inlet):

• برای جریان‌های تراکم‌پذیر بیرونی (External Flow) روی ایرفویل، معمولاً از Pressure Far-Field استفاده می‌شود. این نوع مرز امکان تعریف شرایط جریان آزاد (Free-Stream) را در بی‌نهایت فراهم می‌کند.
• Gauge Pressure: فشار استاتیک محیط (معمولاً 0 برای فشار گیج، اگر فشار مطلق 1 اتمسفر باشد).
• Mach Number: عدد ماخ جریان ورودی.
• Temperature: دمای جریان آزاد.
• Flow Direction: جهت جریان آزاد را بر اساس زاویه حمله ایرفویل تعریف کنید.
• همچنین می‌توانید از Velocity Inlet با تعریف سرعت و دمای جریان آزاد و فشار استاتیک محیط استفاده کنید.

1. خروجی (Outlet):

• اگر از Pressure Far-Field برای ورودی استفاده کرده‌اید، همان را برای خروجی نیز اعمال کنید.
• اگر از Velocity Inlet استفاده کرده‌اید، برای خروجی از Pressure Outlet استفاده کنید و فشار استاتیک گیج محیط را 0 در نظر بگیرید.

1. دیواره ایرفویل (Airfoil Wall):

• Type: “Wall”
• Shear Condition: “No-Slip” (بدون لغزش).
• Thermal Condition:
• “Adiabatic” (عایق): بدون انتقال حرارت از دیواره به سیال (شایع‌ترین فرض).
• “Heat Flux” یا “Temperature”: اگر دمای دیواره مشخص است.

1. مرزهای بالا و پایین (Top/Bottom Walls):

• معمولاً به عنوان Symmetry یا Wall با شرایط Shear “Free-Slip” (بدون اصطکاک) تعریف می‌شوند. اگر دامنه به اندازه کافی بزرگ باشد، Pressure Far-Field هم می‌تواند مناسب باشد.

E. روش‌های حل (Solution Methods)

1. Scheme:

• برای Density-Based Solver، از Coupled Scheme استفاده کنید. این روش کوپلینگ معادلات مومنتوم و انرژی را به طور همزمان حل می‌کند و برای جریان‌های تراکم‌پذیر کارآمدتر است.

1. Spatial Discretization:

• Gradient: Green-Gauss Node Based یا Least Squares Cell Based (معمولاً Least Squares Cell Based دقیق‌تر است).
• Momentum, Density, Energy, Turbulence Kinetic Energy, Specific Dissipation Rate: برای دقت بالاتر، از Second Order Upwind استفاده کنید.

F. کنترل‌های حل (Solution Controls)

1. Under-Relaxation Factors: مقادیر پیش‌فرض معمولاً مناسب هستند، اما در صورت عدم همگرایی، می‌توان آن‌ها را کمی کاهش داد.

G. مقداردهی اولیه و همگرایی (Initialization and Convergence)

1. Initialization: از Hybrid Initialization استفاده کنید تا یک میدان جریان اولیه برای شروع فرآیند حل ایجاد شود.
2. Run Calculation:

• Number of Iterations: تعداد تکرارها را به گونه‌ای تنظیم کنید که راه حل به همگرایی برسد (معمولاً چند صد تا چند هزار تکرار لازم است).
• Convergence Criteria: معیارهای همگرایی (Residue) را برای مومنتوم، انرژی و توربولانس روی ${10}^{-6}$10−6 یا ${10}^{-5}$10−5 تنظیم کنید. همچنین، می‌توانید همگرایی را با نظارت بر ضرایب برآ و پسا (Lift and Drag Coefficients) بررسی کنید. وقتی این ضرایب به مقدار ثابتی رسیدند، می‌توان فرض کرد که حل همگرا شده است.

۳. نتایج و پس‌پردازش (Results and Post-Processing)

پس از همگرایی حل، می‌توانید نتایج را تحلیل کنید:

1. کنتورها (Contours):

• Mach Number Contours: برای مشاهده توزیع عدد ماخ، امواج شوک (تغییر ناگهانی ماخ) و نواحی با سرعت بالا و پایین.
• Pressure Contours: برای مشاهده توزیع فشار روی سطح ایرفویل و در دامنه جریان.
• Temperature Contours: برای تحلیل تغییرات دما ناشی از تراکم‌پذیری.

1. ضرایب آیرودینامیکی (Aerodynamic Coefficients):

• Lift Coefficient ($C_L$CL​): ضریب برآ.
• Drag Coefficient ($C_D$CD​): ضریب پسا.
• Moment Coefficient ($C_M$CM​): ضریب گشتاور.
• این ضرایب را می‌توانید در قسمت “Reports” > “Forces” محاسبه کنید.

1. بردار سرعت و خطوط جریان (Velocity Vectors and Streamlines): برای تجسم الگوی جریان و شناسایی نواحی جدایش یا گردابه‌ها.
2. نمودارهای روی سطح ایرفویل:

• Pressure Coefficient ($C_P$CP​) Plot: نمودار ضریب فشار روی سطح ایرفویل برای تحلیل توزیع فشار و مقایسه با داده‌های تجربی.
• Skin Friction Coefficient ($C_f$Cf​) Plot: ضریب اصطکاک سطحی.

شبیه‌سازی جریان تراکم‌پذیر نیازمند دقت بالا در تنظیمات اولیه و انتخاب مدل‌ها است. با رعایت مراحل فوق، می‌توان تحلیل‌های دقیق و معتبری از رفتار ایرفویل در رژیم‌های سرعت بالا به دست آورد.

کلیدواژه ها : جریان تراکم پذیر-Compressible Flow-ANSYS Fluent-شبیه‌سازی CFD-CFD Simulation-ایرفویل-Airfoil-عدد ماخ-Mach Number-امواج شوک-Shock Waves-Density-Based Solver-معادله انرژی-Energy Equation-گاز ایده‌آل-Ideal Gas-Sutherland Law-Pressure Far-Field-زاویه حمله-Angle of Attack-شرایط مرزی-Boundary Conditions-مدل توربولانس-Turbulence Model-k-omega SST-Spalart-Allmaras-Coupled Solver-Second Order Upwind-همگرایی-Convergence-ضریب برآ-Lift Coefficient-ضریب پسا-Drag Coefficient-ضریب فشار-Pressure Coefficient-پس‌پردازش-Post-Processing