بررسی اثر انحنا دو بعدی در انسیس فلوئنت

ترسیم دقیق هندسه، اولین و یکی از حیاتی‌ترین گام‌ها در هر شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) است. کیفیت و صحت هندسه ورودی، به طور مستقیم بر توانایی مش‌بندی، دقت نتایج و زمان حل تأثیر می‌گذارد. در مطالعه اثر انحنای دو بعدی، ایجاد یک کانال خمیده با پارامترهای مشخص، بنیاد تحلیل‌های بعدی را تشکیل می‌دهد. در این بخش، به چگونگی ترسیم هندسه دو بعدی کانال با انحناء در نرم‌افزارهای CAD/Meshing مرتبط با ANSYS Fluent می‌پردازیم.

۱. انتخاب نرم‌افزار ترسیم هندسه

ANSYS Fluent با چندین نرم‌افزار CAD داخلی و خارجی سازگار است. برای ترسیم هندسه‌های دو بعدی، معمولاً از یکی از گزینه‌های زیر استفاده می‌شود:

• ANSYS DesignModeler: یک ابزار پارامتری قدرتمند برای ایجاد و ویرایش هندسه‌های CFD، به ویژه برای مسائل دو بعدی و سه‌بعدی پیچیده.
• ANSYS SpaceClaim: یک ابزار مدل‌سازی مستقیم و منعطف که برای ایجاد هندسه سریع و ویرایش مدل‌های موجود بسیار مناسب است.
• نرم‌افزارهای CAD شخص ثالث: مانند SolidWorks، AutoCAD، CATIA و غیره. در این حالت، هندسه باید به فرمت‌های قابل خوانش توسط ANSYS (مانند IGES، STEP، Parasolid) صادر شود.

برای این مثال، فرض می‌کنیم از ANSYS DesignModeler استفاده می‌کنیم، اما اصول کلی در سایر نرم‌افزارها نیز مشابه است.

۲. مراحل ترسیم کانال خمیده دو بعدی

هدف، ترسیم یک کانال متشکل از یک یا چند بخش مستقیم و یک بخش منحنی است.

۲.۱. ایجاد یک صفحه کاری (Sketch Plane)

• پس از باز کردن DesignModeler، ابتدا یک “Sketch Plane” مناسب (معمولاً XYPlane) انتخاب کنید. این صفحه، محیطی برای ترسیم هندسه دو بعدی شما خواهد بود.
• بر روی Sketch Plane راست کلیک کرده و “Look At” را انتخاب کنید تا دید را به صورت عمود بر صفحه تنظیم کنید.

۲.۲. ترسیم خطوط و کمان‌ها

برای ایجاد یک کانال خمیده، می‌توان از ترکیبی از خطوط و کمان‌ها استفاده کرد. دو روش رایج عبارتند از:

الف) روش ترسیم خطوط و کمان‌های جداگانه:

1. ترسیم بخش ورودی مستقیم: از ابزار “Line” برای ترسیم دو خط موازی که نشان‌دهنده دیواره‌های ورودی کانال هستند، استفاده کنید. طول و فاصله (عرض کانال) را با ابزار “Dimension” مشخص کنید.
2. ترسیم بخش منحنی (کمان):

• از ابزار “Arc by Center” یا “Arc by 3 Points” استفاده کنید.
• اگر از “Arc by Center” استفاده می‌کنید، یک نقطه مرکزی برای کمان انتخاب کنید، سپس نقاط شروع و پایان کمان را روی دیواره‌های داخلی و خارجی کانال خمیده قرار دهید. اطمینان حاصل کنید که شعاع‌های انحنای داخلی و خارجی با عرض کانال همخوانی دارند.
• با استفاده از “Dimension”، شعاع انحنای داخلی یا خارجی و زاویه کمان را تعیین کنید.

1. ترسیم بخش خروجی مستقیم: مشابه بخش ورودی، دو خط موازی را برای دیواره‌های خروجی ترسیم کنید و مطمئن شوید که به بخش منحنی متصل هستند.
2. تکمیل کانتور: مطمئن شوید که تمامی خطوط به صورت یک کانتور بسته (Closed Loop) به هم متصل شده‌اند تا یک “Surface” قابل ایجاد باشد.

ب) روش ترسیم دو کمان متحدالمرکز و اتصال آن‌ها:

1. ترسیم کمان داخلی: با استفاده از ابزار “Arc by Center”، یک کمان با شعاع $R_{inner}$Rinner​ و زاویه دلخواه (مثلاً ${90}^{\circ }$90∘) ترسیم کنید.
2. ترسیم کمان خارجی: همان نقطه مرکزی را برای کمان داخلی در نظر بگیرید و یک کمان دیگر با شعاع $R_{outer}=R_{inner}+W$Router​=Rinner​+W (که $W$W عرض کانال است) و همان زاویه ترسیم کنید.
3. اتصال کمان‌ها: با استفاده از ابزار “Line”، نقاط ابتدایی دو کمان و نقاط انتهایی دو کمان را به هم متصل کنید تا یک کانتور بسته ایجاد شود.
4. افزودن بخش‌های مستقیم (اختیاری): اگر نیاز به بخش‌های مستقیم در ورودی یا خروجی دارید، خطوطی را به انتهای کانتور خمیده اضافه کنید.

۲.۳. اعمال ابعاد و محدودیت‌ها (Dimensions and Constraints)

• ابعاد (Dimensions): برای کنترل دقیق هندسه، ابعادی مانند عرض کانال، شعاع انحنای داخلی/خارجی، طول بخش‌های مستقیم و زاویه انحنا (در صورت نیاز) را اضافه کنید.
• محدودیت‌ها (Constraints): از محدودیت‌هایی مانند “Horizontal”, “Vertical”, “Tangent”, “Parallel”, “Perpendicular”, “Equal Length” و “Coincident” برای اطمینان از صحت هندسی و روابط بین خطوط استفاده کنید. به عنوان مثال، اطمینان حاصل کنید که خطوط دیواره‌های کانال موازی هستند و کمان‌ها مماس (Tangent) به خطوط مستقیم هستند تا از تغییرات ناگهانی در جهت جریان جلوگیری شود.

۲.۴. تولید سطح (Generate Surface)

• پس از اتمام ترسیم در محیط Sketch، به منوی “Concept” بروید.
• “Surfaces From Sketches” را انتخاب کنید.
• Sketch مورد نظر خود را انتخاب کرده و بر روی “Apply” کلیک کنید.
• “Generate” را بزنید. این مرحله یک هندسه دو بعدی به صورت یک “Surface Body” ایجاد می‌کند که آماده برای مش‌بندی است.

۳. نکات مهم برای هندسه‌های CFD

• هندسه تمیز و ساده (Clean and Simple Geometry): از ترسیم جزئیات هندسی بسیار کوچک و غیرضروری که می‌تواند فرآیند مش‌بندی را پیچیده و کیفیت مش را کاهش دهد، خودداری کنید. اگر جزئیات کوچک ضروری هستند، سعی کنید آنها را به گونه‌ای مدل‌سازی کنید که مش‌بندی را مختل نکند.
• شعاع‌های کوچک (Small Radii): در نواحی با شعاع انحنای بسیار کوچک، ممکن است گرادیان‌های جریان بسیار شدید شوند. اطمینان حاصل کنید که مش‌بندی در این نواحی به اندازه کافی ریز است.
• نام‌گذاری سطوح مرزی (Named Selections): قبل از انتقال هندسه به ماژول مش‌بندی (Meshing)، توصیه می‌شود سطوح مرزی مختلف (مانند “Inlet”, “Outlet”, “Wall_Inner”, “Wall_Outer”) را با استفاده از “Named Selections” نام‌گذاری کنید. این کار تعریف شرایط مرزی در Fluent را آسان‌تر می‌کند.
• برای این کار، در DesignModeler، یک لبه (Edge) را انتخاب کنید، راست کلیک کرده و “Create Named Selection” را انتخاب کنید، سپس نام مناسبی به آن اختصاص دهید.

با رعایت این اصول، می‌توانید یک هندسه کانال خمیده دو بعدی دقیق و مناسب برای شبیه‌سازی در ANSYS Fluent ایجاد کنید که پایه و اساس یک تحلیل CFD موفق خواهد بود.

کلیدواژه ها : ترسیم-هندسه-Geometry-Sketching-کانال-خمیده-Curved-Channel-دو-بعدی-2D-DesignModeler-SpaceClaim-ANSYS-Fluent-CAD-CFD-شبیه-سازی-Simulation-ابعد-Dimensions-محدودیت-Constraints-سطح-Surface-Named-Selections-ورودی-Inlet-خروجی-Outlet-دیواره-Wall-کمان-Arc-شعاع-انحنا-Radius-of-Curvature-جریان-Flow-هندسه-تمیز-Clean-Geometry-نرم-افزار-CAD-CAD-Software-صفحه-کاری-Sketch-Plane-خطوط-موازی-Parallel-Lines-کانتور-بسته-Closed-Contour-نکات-مهم-CFD-CFD-Best-Practices