پس از ترسیم هندسه و مش‌بندی دقیق کانال دو بعدی با انحناء، نوبت به مرحله شبیه‌سازی و تحلیل در نرم‌افزار ANSYS Fluent می‌رسد. این مرحله شامل تعریف مدل‌های فیزیکی، خواص سیال، شرایط مرزی، تنظیمات حل و در نهایت تحلیل نتایج برای درک اثرات انحنا بر رفتار جریان است.

۱. تنظیمات اولیه شبیه‌سازی در ANSYS Fluent

پس از باز کردن ANSYS Fluent و بارگذاری فایل مش (Mesh File) که از مراحل قبل تهیه شده است، باید تنظیمات اولیه را انجام داد.

۱.۱. نوع حلگر و ابعاد مسئله (Solver Type & Space)

  • نوع حلگر (Solver Type):
  • Pressure-Based: برای جریان‌های تراکم‌ناپذیر با سرعت پایین (مانند آب یا هوا با عدد ماخ کمتر از 0.3) و مسائل داخلی (Internal Flow) معمولاً توصیه می‌شود.
  • Density-Based: برای جریان‌های تراکم‌پذیر با سرعت بالا (High-Speed Compressible Flow) مناسب است.
  • وابستگی زمانی (Time):
  • Steady: برای جریان‌هایی که به زمان وابسته نیستند و به یک حالت پایدار (Steady-State) می‌رسند.
  • Transient: برای شبیه‌سازی جریان‌های ناپایدار (Unsteady) که خواص جریان با زمان تغییر می‌کنند. برای مطالعه دقیق پدیده‌های گذرا یا برخی بی‌ثباتی‌های ناشی از انحنا، ممکن است نیاز به حل ناپایدار باشد.
  • ابعاد (2D Space): اطمینان حاصل کنید که گزینه “2D” انتخاب شده است، زیرا هندسه شما دو بعدی است.

۲. تعریف مدل‌های فیزیکی (Models)

انتخاب مدل‌های فیزیکی مناسب، کلید دقت و اعتبار نتایج شبیه‌سازی است.

۲.۱. مدل ویسکوزیته (Viscous Model)

  • Laminar: برای جریان‌های آرام با اعداد رینولدز پایین (بسته به هندسه و شرایط، معمولاً زیر 2000 تا 4000). اگر عدد رینولدز کانال خمیده در محدوده آرام باشد، این مدل انتخاب می‌شود.
  • Turbulence Models: برای جریان‌های آشفته (با اعداد رینولدز بالا). انتخاب مدل آشفتگی در هندسه‌های خمیده بسیار مهم است:
  • k-epsilon (k-ε): مدل‌های رایج و مقاوم، اما ممکن است در پیش‌بینی دقیق جدایش جریان و جریان‌های ثانویه ناشی از انحنا (مانند گردابه‌های دین) محدودیت‌هایی داشته باشند.
  • k-omega (k-ω) SST: این مدل به دلیل دقت بالا در پیش‌بینی لایه مرزی و قابلیت تطبیق با نواحی جدایش و گرادیان فشار معکوس، به طور گسترده‌ای برای جریان‌های داخلی و خارجی که شامل انحنا و جدایش هستند، توصیه می‌شود. این مدل هم برای لایه مرزی و هم برای جریان آزاد عملکرد خوبی دارد.
  • Reynolds Stress Model (RSM): دقیق‌ترین مدل آشفتگی، اما از نظر محاسباتی پرهزینه‌تر است و برای جریان‌های با ناهمسانگردی بالا (مانند جریان‌های ثانویه) مناسب‌تر است.

۲.۲. مدل انرژی (Energy Model)

  • در صورتی که هدف شبیه‌سازی شامل انتقال حرارت باشد، “Energy Equation” باید فعال شود. در غیر این صورت (فقط تحلیل دینامیک سیال)، می‌توان آن را غیرفعال نگه داشت.

۳. تعریف خواص مواد (Materials)

  • Fluid: خواص سیال (مانند هوا یا آب) را تعریف کنید. این شامل چگالی (Density)، ویسکوزیته (Viscosity)، گرمای ویژه (Specific Heat)، رسانایی گرمایی (Thermal Conductivity) و سایر خواص مربوطه است.
  • Solid (اختیاری): اگر هندسه شامل دیواره‌های جامد و انتقال حرارت از طریق آنها باشد، خواص جامد نیز باید تعریف شوند.

۴. تعریف شرایط مرزی (Boundary Conditions)

شرایط مرزی در FLUENT بر اساس "Named Selections"ی که در DesignModeler (یا نرم‌افزار CAD دیگر) ایجاد کرده‌اید، تعریف می‌شوند.

  • Inlet (ورودی):
  • Velocity Inlet: سرعت ورودی، دمای ورودی (در صورت فعال بودن انرژی) و پارامترهای آشفتگی (ماناند شدت آشفتگی و مقیاس طول).
  • Mass Flow Inlet: دبی جرمی ورودی.
  • Outlet (خروجی):
  • Pressure Outlet: فشار استاتیک گیج (Gauge Pressure) در خروجی.
  • Outflow: برای جریان‌های کاملاً توسعه یافته که شکل پروفایل سرعت در خروجی ثابت است.
  • Wall (دیواره‌ها - Wall_Inner, Wall_Outer):
  • No-Slip Shear Condition: پیش‌فرض و مناسب برای اکثر سیالات نیوتنی.
  • Thermal Conditions: دمای ثابت (Temperature), شار حرارتی ثابت (Heat Flux), جابجایی حرارتی (Convection) یا آدیاباتیک (Adiabatic).

۵. روش‌های حل و کنترل‌ها (Solution Methods & Controls)

این بخش تنظیمات عددی حلگر را کنترل می‌کند.

  • Scheme (طرح تفاضل‌گیری):
  • Pressure-Velocity Coupling: برای حلگر Pressure-Based، طرح‌های SIMPLE, SIMPLEC, PISO یا Coupled استفاده می‌شوند. SIMPLEC معمولاً برای مسائل Steady و PISO برای مسائل Transient مناسب‌تر است. Coupled Solver نیز مقاومت و سرعت بالایی دارد.
  • Spatial Discretization: برای معادلات مومنتوم، انرژی و آشفتگی، از طرح‌های Second Order Upwind برای دقت بالاتر استفاده کنید.
  • Residuals (باقیمانده‌ها): معیاری برای همگرایی حل. مقادیر پیش‌فرض معمولاً 10−310^{-3}10−3 برای معادلات مومنتوم و آشفتگی و 10−610^{-6}10−6 برای معادله انرژی است. ممکن است نیاز باشد برای دقت بیشتر، مقادیر را کاهش دهید.

۶. مقداردهی اولیه و اجرا (Initialization & Run Calculation)

  • Initialization: مقادیر اولیه برای میدان‌های جریان (سرعت، فشار، دما) را تعیین کنید. “Standard Initialization” معمولاً با مشخص کردن شرایط در ورودی، نقطه شروع مناسبی است.
  • Run Calculation: تعداد تکرارها (Number of Iterations) یا گام‌های زمانی (Number of Time Steps) را مشخص کنید. از مانیتور همگرایی (Residuals Monitor) برای پایش پیشرفت حل استفاده کنید.

۷. تحلیل نتایج (Post-processing)

پس از همگرایی حل، می‌توان به تحلیل جامع نتایج پرداخت.

۷.۱. تجسم میدان‌های جریان (Flow Field Visualization)

  • Contours (کانتورها):
  • Velocity Contours: توزیع سرعت در سراسر کانال. به وضوح نشان‌دهنده نواحی با سرعت بالا (معمولاً در سمت داخلی انحنا) و سرعت پایین (سمت خارجی) خواهد بود.
  • Pressure Contours: توزیع فشار. افزایش فشار در سمت خارجی و کاهش در سمت داخلی انحنا (ناشی از نیروی گریز از مرکز).
  • Turbulence Kinetic Energy (TKE) Contours: برای مشاهده نواحی با آشفتگی بالا.
  • Vectors (بردارهای سرعت): مشاهده جهت و اندازه سرعت در نقاط مختلف، که برای شناسایی گردابه‌های دین (Dean Vortices) و نواحی جدایش جریان بسیار مفید است.
  • Streamlines (خطوط جریان): تجسم مسیر حرکت ذرات سیال. این ابزار به بهترین نحو، جریان‌های ثانویه و نواحی گردابی را به نمایش می‌گذارد.

۷.۲. تحلیل کمی (Quantitative Analysis)

  • X-Y Plots:
  • Velocity Profiles: رسم پروفایل سرعت در مقاطع مختلف کانال (قبل، حین و بعد از انحنا) برای بررسی تغییر شکل پروفایل.
  • Pressure Drop: محاسبه افت فشار بین ورودی و خروجی کانال خمیده. این یک معیار مهم برای ارزیابی عملکرد هیدرولیکی است.
  • Wall Shear Stress: تنش برشی دیواره، که می‌تواند نشان‌دهنده نواحی جدایش احتمالی یا رشد لایه مرزی باشد.
  • Reports:
  • Mass Flow Rate: بررسی دبی جرمی در ورودی و خروجی برای اطمینان از صحت و همگرایی حل.
  • Forces/Moments: در صورت وجود، محاسبه نیروها یا گشتاورهای وارد بر دیواره‌ها.

۷.۳. پدیده‌های مرتبط با انحنا

  • گردابه‌های دین (Dean Vortices): در جریان‌های دو بعدی، گردابه‌های دین معمولاً به صورت جفت‌های چرخشی متقارن در مقطع عرضی (اگرچه در شبیه‌سازی دو بعدی این اثر به طور کامل قابل مشاهده نیست و نیاز به شبیه‌سازی سه بعدی دارد، اما اثرات آن بر پروفایل سرعت و فشار در صفحه دو بعدی قابل تحلیل است) ظاهر می‌شوند. در تحلیل دو بعدی، می‌توان اثر این گردابه‌ها را در تغییر شکل پروفایل سرعت و فشار مشاهده کرد.
  • جدایش جریان (Flow Separation): در انحناهای تیز یا شعاع‌های کوچک، جریان ممکن است از دیواره داخلی جدا شود. این جدایش را می‌توان از طریق بردارهای سرعت و کاهش شدید سرعت در نزدیکی دیواره مشاهده کرد.

۷.۴. اعتبارسنجی و مطالعه استقلال از مش (Validation & Mesh Independence Study)

  • اعتبارسنجی (Validation): مقایسه نتایج کلیدی (مانند افت فشار، پروفایل سرعت در یک نقطه خاص) با داده‌های تجربی یا راه‌حل‌های تحلیلی موجود برای موارد مشابه.
  • مطالعه استقلال از مش (Mesh Independence Study): این گام حیاتی است. شبیه‌سازی را با چند مش مختلف (با تراکم متفاوت) تکرار کنید و مطمئن شوید که نتایج اصلی شبیه‌سازی (مانند افت فشار کلی یا سرعت حداکثر) با تغییر بیشتر در تراکم مش، تغییر قابل توجهی نمی‌کنند. این کار تضمین می‌کند که نتایج شما به تراکم مش انتخابی وابسته نیستند و از نظر عددی دقیق هستند.

کلیدواژه ها : شبیه‌سازی و تحلیل جریان سیال در یک کانال دو بعدی با انحنا، یک فرآیند تکراری است که نیازمند درک عمیق از فیزیک جریان، مدل‌های CFD و قابلیت‌های نرم‌افزار ANSYS Fluent است. با انجام دقیق این مراحل، می‌توان به درک جامعی از اثرات انحنا بر رفتار جریان سیال دست یافت. شبیه-سازی-جریان-Flow-Simulation-تحلیل-جریان-Flow-Analysis-انسیس-فلوئنت-ANSYS-Fluent-کانال-خمیده-Curved-Channel-مدل-ویسکوزیته-Viscous-Model-k-omega-SST-شرایط-مرزی-Boundary-Conditions-ورودی-Inlet-خروجی-Outlet-دیواره-Wall-افت-فشار-Pressure-Drop-گردابه‌های-دین-Dean-Vortices-جدایش-جریان-Flow-Separation-پساپردازش-Post-processing-کانتور-Contour-خطوط-جریان-Streamlines-بردارهای-سرعت-Velocity-Vectors-اعتبارسنجی-Validation-استقلال-از-مش-Mesh-Independence-Study-تنظیمات-حل-Solution-Settings-خواص-سیال-Fluid-Properties-جریان-دو-بعدی-2D-Flow-مدل-فیزیکی-Physical-Model