مدلسازی جریان تراکم پذیر در انسیس CFX

در کنار ANSYS Fluent، نرم‌افزار ANSYS CFX نیز یکی از ابزارهای قدرتمند برای شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) است که به خصوص در کاربردهای توربوماشینری و جریان‌های تراکم‌پذیر عملکرد بسیار خوبی از خود نشان می‌دهد. این بخش به تشریح فرآیند مدلسازی جریان تراکم‌پذیر (Compressible Flow) در ANSYS CFX، از تنظیمات اولیه تا تحلیل نتایج، می‌پردازد.

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

جریان تراکم‌پذیر زمانی مطرح می‌شود که تغییرات چگالی سیال در طول جریان قابل اغماض نباشد، به ویژه در سرعت‌های بالا (معمولاً بالای ۰.۳ ماخ). CFX با رویکرد کنترل حجم محدود (Finite Volume Method) و حلگر کوپل شده (Coupled Solver) خود، برای این نوع جریان‌ها بسیار کارآمد است. ویژگی اصلی CFX در اینجا توانایی آن در حل همزمان معادلات مومنتوم، انرژی و پیوستگی به صورت کوپل است که به همگرایی سریع‌تر و پایدارتر در جریان‌های با سرعت بالا و وجود امواج شوک کمک می‌کند.

مفاهیم کلیدی برای CFX:

• معادلات ناویر-استوکس تراکم‌پذیر (Compressible Navier-Stokes Equations): CFX این معادلات را برای جرم، مومنتوم و انرژی حل می‌کند که شامل ترم‌های چگالی متغیر و اثرات انتقال حرارت است.
• عدد ماخ (Mach Number): همانند Fluent، این عدد برای تشخیص رژیم جریان (زیرصوت، گذرصوت، مافوق صوت) حیاتی است.
• امواج شوک (Shock Waves): CFX قادر به پیش‌بینی و حل دقیق امواج شوک و ناپیوستگی‌های مربوط به فشار و چگالی است.

۲. راه‌اندازی شبیه‌سازی در ANSYS CFX-Pre (Setting Up the Simulation in ANSYS CFX-Pre)

پس از وارد کردن هندسه و مش از ANSYS Meshing به CFX-Pre، مراحل زیر برای مدلسازی جریان تراکم‌پذیر دنبال می‌شود:

A. تنظیمات دامنه (Domain Settings)

1. نوع آنالیز (Analysis Type):

• معمولاً برای جریان‌های تراکم‌پذیر پایدار از “Steady State” استفاده می‌شود.

1. تعریف سیال (Fluid Definition):

• Fluid 1 (Air): اگر از “Air” به عنوان سیال استفاده می‌کنید، آن را انتخاب کنید.
• Equation of State: برای جریان تراکم‌پذیر، حتماً “Ideal Gas” را انتخاب کنید. این کار به CFX اجازه می‌دهد تا چگالی را بر اساس رابطه $P=\rho RT$P=ρRT محاسبه کند.
• Reference Pressure: فشار مرجع را برای محاسبات فشار مطلق (معمولاً ۱ اتمسفر) تعیین کنید.
• Specific Heat (Cp) and Thermal Conductivity: معمولاً به صورت “Variable” و متناسب با دما (Temperature Dependent) تعریف می‌شوند (مثلاً Sutherland Formula برای ویسکوزیته).

1. مدل انتقال حرارت (Heat Transfer Model):

• “Thermal Energy” را فعال (On) کنید. این کار باعث می‌شود معادله انرژی حل شود که برای جریان‌های تراکم‌پذیر ضروری است.

1. مدل توربولانس (Turbulence Model):

• برای جریان‌های تراکم‌پذیر، مدل‌های توربولانس مانند SST k-omega، k-epsilon (به همراه اصلاحات تراکم‌پذیری) یا Spalart-Allmaras گزینه‌های مناسبی هستند. SST k-omega به دلیل دقت بالا در پیش‌بینی جدایش جریان و لایه مرزی، اغلب توصیه می‌شود.
• Turbulence Model Options: اطمینان حاصل کنید که تنظیمات مربوط به تراکم‌پذیری (Compressibility Effects) در مدل توربولانس فعال باشد، اگرچه بسیاری از مدل‌ها به طور پیش‌فرض این قابلیت را دارند.

B. شرایط مرزی (Boundary Conditions)

1. ورودی (Inlet):

• Subsonic Flow:
• Total Pressure Inlet: (فشار کل، دمای کل) - معمولاً برای جریان‌های زیرصوت.
• Mass Flow Inlet: (جریان جرمی، دمای کل) - وقتی نرخ دبی جرمی مشخص است.
• Velocity Inlet: (سرعت، دمای کل)
• Supersonic Flow:
• Supersonic Inlet: (فشار استاتیک، دمای استاتیک، جهت جریان) - برای ورودی‌های مافوق صوت که تمام متغیرها به صورت استاتیک مشخص می‌شوند.
• Direction: برای هر نوع ورودی، جهت جریان (به عنوان مثال، نرمال به مرز یا یک بردار مشخص) را تعریف کنید.
• Temperature: دمای کل (Total Temperature) یا دمای استاتیک (Static Temperature) جریان ورودی.

1. خروجی (Outlet):

• Subsonic Flow:
• Static Pressure Outlet: (فشار استاتیک) - معمولاً برای خروجی‌های زیرصوت.
• Mass Flow Outlet: (جریان جرمی)
• Supersonic Flow:
• Supersonic Outlet: (بدون نیاز به تعیین پارامتر) - اطلاعات به طور کامل از داخل دامنه محاسبه می‌شود.

1. دیواره‌ها (Walls):

• Boundary Type: Wall
• Boundary Details:
• No Slip Wall: (بدون لغزش) - پیش‌فرض برای اکثر دیواره‌ها.
• Wall Roughness: اگر نیاز به مدلسازی زبری سطح دارید.
• Heat Transfer:
• Adiabatic: (عایق) - بدون انتقال حرارت (رایج در ایرفویل).
• Fixed Temperature: دمای ثابت روی دیواره.
• Heat Flux: نرخ انتقال حرارت ثابت.

1. مرزهای Free-Stream/Far-Field:

• برای جریان‌های خارجی (مانند ایرفویل)، می‌توان از مرزهای از نوع “Opening” (شبیه به Pressure Far-Field در Fluent) استفاده کرد. این مرزها به جریان اجازه ورود یا خروج می‌دهند و شرایط Total Pressure و Total Temperature در ورودی و Static Pressure در خروجی را می‌توان برای آن‌ها تعریف کرد.

C. تنظیمات حلگر (Solver Control)

1. کنترل همگرایی (Convergence Control):

• Residual Type: RMS (Root Mean Square) یا Max.
• Residual Target: معمولاً ${10}^{-5}$10−5 یا ${10}^{-6}$10−6 برای معادلات مومنتوم، پیوستگی و انرژی.
• Monitor Points: برای پایش ضرایب آیرودینامیکی (برآ، پسا) در طول حل. حل زمانی همگرا شده تلقی می‌شود که Residuals به حد مطلوب برسند و مقادیر مانیتور شده ثابت شوند.

1. گام زمانی (Timescale Control):

• Auto Timescale: معمولاً برای شروع خوب است. CFX به صورت خودکار گام زمانی را تنظیم می‌کند.
• Physical Timescale: در صورت عدم همگرایی یا نوسانات، می‌توانید یک گام زمانی فیزیکی ثابت را برای بهبود پایداری حل تعیین کنید.

1. Output Control:

• مشخص کردن چه داده‌هایی در طول حل ذخیره شوند (مثلاً فایل‌های .res برای نتایج و .trn برای تاریخچه حل).

۳. اجرای حل در ANSYS CFX-Solver (Running the Solution in ANSYS CFX-Solver)

پس از تنظیمات در CFX-Pre، حلگر (Solver) اجرا می‌شود. CFX به دلیل استفاده از حلگر کوپل شده، اغلب نسبت به حلگرهای جدا شده (Segregated Solvers) در Fluent (به خصوص برای جریان‌های تراکم‌پذیر) سریع‌تر و پایدارتر همگرا می‌شود.

۴. نتایج و پس‌پردازش در ANSYS CFX-Post (Results and Post-Processing in ANSYS CFX-Post)

پس از اتمام حل، نتایج در CFX-Post قابل مشاهده و تحلیل هستند:

1. کنتورها (Contours):

• Mach Number Contours: تجسم توزیع ماخ و شناسایی امواج شوک.
• Pressure Contours (Static/Total): توزیع فشار استاتیک و کل.
• Temperature Contours (Static/Total): توزیع دما استاتیک و کل.
• Density Contours: برای مشاهده تغییرات چگالی در جریان.

1. بردارهای سرعت (Velocity Vectors) و خطوط جریان (Streamlines): برای مشاهده الگوی جریان و نواحی گردابه‌ای.
2. ضرایب آیرودینامیکی (Aerodynamic Coefficients):

• Force Reports: محاسبه نیروی برآ (Lift Force)، نیروی پسا (Drag Force) و گشتاور (Moment). از این نیروها می‌توان ضرایب $C_L$CL​, $C_D$CD​, $C_M$CM​ را استخراج کرد.

1. نمودارها (Charts):

• X-Y Plots: رسم پروفایل‌های فشار، سرعت، دما و چگالی روی خطوط یا سطوح خاص.
• Wall Plots: رسم ضریب فشار ($C_P$CP​) و ضریب اصطکاک پوستی ($C_f$Cf​) روی سطح ایرفویل.

1. انیمیشن (Animation): ایجاد انیمیشن از تغییرات پارامترهای جریان در طول زمان (برای حل‌های گذرا) یا در طول یک سطح.

مدلسازی جریان تراکم‌پذیر در CFX یک ابزار قدرتمند برای تحلیل پدیده‌های پیچیده در سرعت‌های بالاست. با تنظیم دقیق مدل‌ها و شرایط مرزی، می‌توان به نتایج دقیق و قابل اعتمادی دست یافت.

کلیدواژه ها : جریان تراکم پذیر-Compressible Flow-ANSYS CFX-CFD Simulation-مدلسازی CFD-CFX-Pre-CFX-Solver-CFX-Post-Ideal Gas-Equation of State-Total Pressure-Total Temperature-Static Pressure-Static Temperature-Mach Number-Shock Waves-Turbulence Model-SST k-omega-Boundary Conditions-Inlet-Outlet-Wall-Opening-Convergence-Residuals-Lift Force-Drag Force-Aerodynamic Coefficients-Contours-Streamlines-Post-Processing-توربوماشینری-Turbomachinery