کانال‌های واگرا (Diverging Channels) از جمله هندسه‌های رایج در کاربردهای مهندسی سیالات هستند، به ویژه در سیستم‌هایی که با جریان‌های تراکم‌پذیر سر و کار دارند، مانند دیفیوزرها (Diffusers) در موتورهای جت، نازل‌ها (Nozzles) در موشک‌ها یا سیستم‌های تهویه. تحلیل جریان در این کانال‌ها، به خصوص برای درک پدیده‌هایی مانند امواج شوک، جدایش جریان و بازیابی فشار، از اهمیت بالایی برخوردار است. اولین گام در هر شبیه‌سازی CFD، ایجاد یک هندسه دقیق و مناسب است. این بخش به شما نشان می‌دهد که چگونه یک هندسه کانال واگرا را با استفاده از ابزارهای ANSYS (مانند DesignModeler یا SpaceClaim) برای تحلیل جریان تراکم‌پذیر آماده کنید.

۱. ابزارهای ایجاد هندسه در ANSYS (ANSYS Geometry Creation Tools)

ANSYS Workbench دو ابزار اصلی برای ایجاد و ویرایش هندسه فراهم می‌کند:

  • ANSYS DesignModeler: یک ابزار پارامتریک و مبتنی بر تاریخچه (history-based) که برای ایجاد هندسه‌های تمیز و ساده CFD بسیار مناسب است. این ابزار اغلب برای ایجاد هندسه‌های 2D یا 3D ساده با قابلیت کنترل ابعادی دقیق استفاده می‌شود.
  • ANSYS SpaceClaim: یک ابزار مدل‌سازی مستقیم (direct modeling) که رویکردی بصری‌تر و سریع‌تر برای ایجاد و ویرایش هندسه ارائه می‌دهد و برای کار با هندسه‌های پیچیده‌تر یا وارداتی از سایر نرم‌افزارهای CAD بسیار قدرتمند است.

در این راهنما، ما بر DesignModeler تمرکز خواهیم کرد، زیرا برای هندسه‌های کانالی مانند کانال واگرا، بسیار کارآمد و متداول است.

۲. مراحل ایجاد هندسه کانال واگرا در ANSYS DesignModeler (Steps for Creating Diverging Channel Geometry in ANSYS DesignModeler)

فرض می‌کنیم که شما ANSYS Workbench را باز کرده و یک کامپوننت “Geometry” را اضافه کرده‌اید.

A. شروع به کار و تنظیم واحدها (Getting Started and Unit Setup)

  1. باز کردن DesignModeler: روی “Geometry” در درخت پروژه Workbench کلیک راست کرده و “Edit Geometry in DesignModeler” را انتخاب کنید.
  2. انتخاب صفحه کاری: در پنجره DesignModeler، در درخت “Tree Outline”، روی “XYPlane” کلیک راست کرده و “Look At” را انتخاب کنید تا نمای دوبعدی آن را ببینید.
  3. تنظیم واحدها: از منوی “Units”، واحدهای مناسب (مانند Millimeter یا Meter) را برای هندسه خود انتخاب کنید.

B. رسم پروفیل 2D کانال (Sketching the 2D Channel Profile)

برای ایجاد یک کانال واگرا، ابتدا پروفیل دوبعدی آن را رسم می‌کنیم و سپس آن را به 3D تبدیل خواهیم کرد.

  1. ایجاد یک Sketch جدید: در درخت “Tree Outline”، روی “XYPlane” کلیک راست کرده و “New Sketch” را انتخاب کنید.
  2. رسم خطوط کانال:
  • ورودی کانال: با استفاده از ابزار “Line” در تب “Sketching” -> “Draw”، یک خط افقی در مبدأ (یا هر مکان مناسب دیگر) رسم کنید که نمایانگر عرض ورودی کانال باشد.
  • دیواره‌های واگرا: دو خط مایل از نقاط انتهایی خط ورودی به سمت بیرون و جلو رسم کنید تا دیواره‌های واگرا را تشکیل دهند.
  • خروجی کانال: یک خط افقی برای بستن پروفیل در انتهای کانال واگرا رسم کنید. این خط نمایانگر عرض خروجی خواهد بود.
  • خطوط بالایی و پایینی: اگر می‌خواهید کانال را به صورت یک شکل بسته (مانند یک مستطیل واگرا) رسم کنید، خطوط بالایی و پایینی را نیز متصل کنید. معمولاً برای سادگی، یک نیمه از کانال را رسم می‌کنند و از شرط مرزی “Symmetry” استفاده می‌کنند، یا کل کانال را به صورت یک سطح واحد می‌سازند.
  • مثال ساده: برای یک کانال ساده، می‌توانید یک مستطیل اولیه رسم کنید، سپس با ابزار “Line” از گوشه‌های آن خطوط واگرا را رسم کرده و با “Trim” خطوط اضافی را حذف کنید.
  1. اعمال قیود و ابعاد (Constraints and Dimensions):
  • قیود هندسی (Constraints): از تب “Sketching” -> “Constraints” برای اعمال قیود (مانند Horizontal, Vertical, Parallel) استفاده کنید تا هندسه پایدار و دقیق باشد. به عنوان مثال، خطوط ورودی و خروجی باید افقی باشند.
  • ابعاد (Dimensions): از تب “Sketching” -> “Dimensions” برای تعیین ابعاد کلیدی استفاده کنید:
  • H (Horizontal): طول کانال.
  • V (Vertical): عرض ورودی و عرض خروجی کانال.
  • Angle: زاویه واگرایی دیواره‌ها.
  • توصیه می‌شود که ابعاد را به صورت پارامتریک (با زدن تیک “P” کنار هر بعد) تعریف کنید تا بعداً بتوانید به راحتی آن‌ها را در Workbench تغییر دهید.

C. ایجاد سطح 2D یا حجم 3D (Generating 2D Surface or 3D Volume)

پس از رسم پروفیل، بسته به نوع تحلیل (2D یا 3D)، باید هندسه را ایجاد کنید:

  • برای تحلیل 2D (سطح دوبعدی):
  1. مطمئن شوید که Sketch شما یک کانتور بسته (closed contour) تشکیل می‌دهد.
  2. از منوی “Concept” -> “Surfaces From Sketches” استفاده کنید. Sketch خود را انتخاب کرده و روی “Apply” کلیک کنید. سپس “Generate” را بزنید.

  • نکته: برای تحلیل 2D Planar، CFX نیاز به یک سطح دارد. برای تحلیل 2D Axisymmetric، باید یک خط محوری (Axis) در امتداد یک لبه (مثلاً لبه پایین کانال) تعریف کنید و CFX از این خط به عنوان محور دوران برای تولید هندسه Axisymmetric استفاده می‌کند.

  • برای تحلیل 3D (حجم سه‌بعدی):

  1. Sketch خود را انتخاب کنید (باید یک کانتور بسته باشد).
  2. از منوی “Extrude” در نوار ابزار استفاده کنید یا “Concept” -> “Extrude”.
  3. Geometry: Sketch خود را انتخاب کنید.
  4. Direction: معمولاً “Normal” به صفحه Sketch است.
  5. Depth: عمق یا عرض کانال 3D را وارد کنید. این مقدار می‌تواند یک پارامتر باشد.
  6. Operation: “Add Material” را انتخاب کنید.
  7. روی “Generate” کلیک کنید تا حجم سه‌بعدی کانال ایجاد شود.

D. نام‌گذاری سطوح (Named Selections)

نام‌گذاری صحیح سطوح مرزی (Boundary Faces) برای اعمال شرایط مرزی در CFX-Pre حیاتی است.

  1. انتخاب سطوح: سطوحی که می‌خواهید نام‌گذاری کنید (مانند ورودی، خروجی، دیواره‌ها) را انتخاب کنید. برای انتخاب چند سطح، کلید Ctrl را نگه دارید.
  2. ایجاد Named Selection: روی سطح یا سطوح انتخاب شده کلیک راست کرده و “Create Named Selection” را انتخاب کنید.
  3. نام‌گذاری: نام‌های واضحی مانند Inlet, Outlet, Walls و Symmetry (در صورت وجود) به آن‌ها بدهید.
  4. روی “Generate” کلیک کنید.

۳. ملاحظات طراحی برای تحلیل CFD (Design Considerations for CFD Analysis)

  • ابعاد کانال: اطمینان حاصل کنید که ابعاد کانال به اندازه کافی بزرگ است تا تمام پدیده‌های فیزیکی مورد نظر (مانند توسعه کامل لایه مرزی یا تشکیل امواج شوک) را در بر گیرد.
  • صافی دیواره‌ها: دیواره‌های کانال باید کاملاً صاف و بدون بریدگی یا ناهمواری باشند تا از خطاهای مش‌بندی و جدایش جریان مصنوعی جلوگیری شود. از ابزارهای “Clean Up” در DesignModeler استفاده کنید.
  • پارامتریک کردن هندسه: تا حد امکان، ابعاد و زوایا را پارامتریک کنید. این کار به شما امکان می‌دهد تا به راحتی هندسه را تغییر داده و تأثیر آن را بر جریان بررسی کنید (مطالعات پارامتریک یا بهینه‌سازی).
  • نوع تحلیل (2D در مقابل 3D):
  • تحلیل 2D: اگر هندسه شما دارای تقارن در جهت عمود بر صفحه جریان است و تغییرات در آن جهت ناچیز است (کانال بسیار عریض)، می‌توانید از تحلیل 2D Planar استفاده کنید که از نظر محاسباتی ارزان‌تر است. برای این کار یک سطح 2D ایجاد کنید.
  • تحلیل 3D: برای کانال‌هایی که عرض محدودی دارند یا دارای ویژگی‌های سه‌بعدی هستند، تحلیل 3D ضروری است.

با دنبال کردن این مراحل، شما یک هندسه کانال واگرا آماده برای مش‌بندی و سپس تحلیل جریان تراکم‌پذیر در ANSYS CFX خواهید داشت.

کلیدواژه ها : کانال واگرا-Diverging Channel-هندسه CFD-CFD Geometry-ANSYS DesignModeler-ANSYS SpaceClaim-کانال سه بعدی-3D Channel-کانال دو بعدی-2D Channel-جریان تراکم پذیر-Compressible Flow-طراحی هندسه-Geometry Design-ورودی کانال-Channel Inlet-خروجی کانال-Channel Outlet-دیواره کانال-Channel Walls-نامگذاری سطوح-Named Selections-دیفیوزر-Diffuser-نازل-Nozzle