اجباری و جریان در عبور از یک سیلندر نیم دایره ای با انسیس فلوئنت

ایجاد هندسه و مش‌بندی سیلندر نیم‌دایره‌ای جهت تحلیل در ANSYS Fluent

موفقیت یک شبیه‌سازی CFD به شدت به کیفیت هندسه و مش‌بندی آن بستگی دارد. در مورد جریان و انتقال حرارت حول یک سیلندر نیم‌دایره‌ای، جزئیات هندسه و نحوه تقسیم‌بندی دامنه محاسباتی به دلیل گرادیان‌های شدید در نزدیکی سطح و پدیده‌های جدایش جریان، از اهمیت بالایی برخوردار است.

1. ایجاد هندسه (Geometry Creation)

• هدف: تعریف دقیق شکل سیلندر نیم‌دایره‌ای و فضای سیال اطراف آن که قرار است معادلات در آن حل شوند.
• نرم‌افزار: از ابزارهای مدل‌سازی هندسی ANSYS مانند DesignModeler یا SpaceClaim استفاده کنید. این نرم‌افزارها در محیط ANSYS Workbench به صورت یکپارچه عمل می‌کنند.

مراحل گام به گام:

1. ورود به محیط Geometry: پس از باز کردن ANSYS Workbench، یک کامپوننت Geometry را به شماتیک اضافه کرده و آن را باز کنید (مثلاً با راست کلیک و انتخاب Edit Geometry).
2. انتخاب فضای کاری (2D یا 3D):

• برای یک تحلیل اولیه و کاهش هزینه‌های محاسباتی، می‌توانید از یک مدل 2D (جریان دوبعدی) استفاده کنید. در این صورت، یک صفحه (مثلاً XY Plane) را برای طراحی انتخاب کنید.
• برای تحلیل دقیق‌تر و مدل‌سازی واقعی، از 3D استفاده کنید.

1. ترسیم سیلندر نیم‌دایره‌ای:

• در 2D: یک دایره کامل در مبدأ مختصات رسم کنید. سپس با استفاده از ابزار Line یا Cut, نیمی از دایره را حذف کنید تا یک نیم‌دایره ایجاد شود. (مثلاً نیمی از بالای دایره را حذف کنید تا یک سیلندر نیم‌دایره‌ای رو به پایین یا برعکس ایجاد شود).
• در 3D: یک دایره کامل رسم کنید و سپس آن را Extrude کنید تا یک سیلندر کامل ایجاد شود. سپس یک مکعب یا Block بر روی نیمی از سیلندر قرار دهید و از Boolean Subtract استفاده کنید تا نیمی از آن حذف شود و یک سیلندر نیم‌دایره‌ای سه‌بعدی به دست آید.

1. تعریف دامنه سیال (Fluid Domain):

• یک مستطیل بزرگتر (در 2D) یا مکعب/استوانه (در 3D) در اطراف سیلندر نیم‌دایره‌ای رسم کنید. این دامنه باید به اندازه‌ای بزرگ باشد که مرزهای خارجی آن بر روی جریان و انتقال حرارت اطراف سیلندر تأثیر نگذارند.
• قانون سرانگشتی برای ابعاد دامنه:
• ورودی (Inlet): حداقل 5 تا 10 برابر قطر سیلندر (D) در بالادست (Upstream).
• خروجی (Outlet): حداقل 10 تا 20 برابر D در پایین‌دست (Downstream) برای اطمینان از توسعه کامل جریان.
• طرفین (Sides/Top/Bottom): حداقل 5 تا 10 برابر D از مرکز سیلندر.

1. عملیات بولی (Boolean Operation): از ابزار Subtract (کم کردن) استفاده کنید تا هندسه سیلندر نیم‌دایره‌ای از دامنه سیال کسر شود. نتیجه نهایی باید فقط فضای سیال باشد.
2. نام‌گذاری سطوح (Named Selections): این مرحله بسیار حیاتی است. هر مرز فیزیکی در دامنه سیال باید یک نام منحصر به فرد داشته باشد. این نام‌ها در Fluent برای اعمال شرایط مرزی استفاده خواهند شد.

• Inlet: سطحی که سیال از آن وارد می‌شود.
• Outlet: سطحی که سیال از آن خارج می‌شود.
• Cylinder_Wall: سطح سیلندر نیم‌دایره‌ای.
• Top_Wall, Bottom_Wall, Side_Walls: دیواره‌های خارجی دامنه سیال (می‌توانند به عنوان Wall, Symmetry یا Outlet تعریف شوند).
• نکته: دقت کنید که مرزهای صحیح را انتخاب و نام‌گذاری کنید. یک انتخاب اشتباه در این مرحله می‌تواند به خطاهای بزرگ در شبیه‌سازی منجر شود.

2. مش‌بندی (Meshing)

• هدف: تقسیم‌بندی دامنه سیال به سلول‌های کوچک (المان‌های محدود) که معادلات CFD روی آن‌ها حل می‌شوند. کیفیت مش به شدت بر دقت و همگرایی حل تأثیر می‌گذارد.
• نرم‌افزار: ماژول ANSYS Meshing که در محیط Workbench قرار دارد.

مراحل گام به گام و ملاحظات کلیدی:

1. ورود به محیط Meshing: در Workbench، روی کامپوننت Mesh راست کلیک کرده و Edit را انتخاب کنید.
2. تنظیمات عمومی مش:

• Physics Preference: CFD
• Solver Preference: Fluent

1. نوع مش (Element Type):

• 2D: سعی کنید تا حد امکان از مش‌های Quad (چهارضلعی) استفاده کنید. این مش‌ها برای جریان‌های دوبعدی نتایج دقیق‌تری ارائه می‌دهند. می‌توانید از ابزار Face Meshing یا Mapped Meshing برای تولید مش‌های ساختاریافته در نواحی خاص استفاده کنید.
• 3D: استفاده از مش‌های Hexahedral (هگزا) در نواحی منظم و Polyhedral (چندوجهی) در نواحی پیچیده‌تر توصیه می‌شود. مش‌های تترا (Tetrahedral) نیز قابل استفاده هستند اما به طور کلی به تعداد سلول‌های بیشتری برای دقت یکسان نیاز دارند.

1. تراکم مش (Mesh Density) و اندازه‌گذاری (Sizing):

• Global Sizing: یک اندازه پیش‌فرض برای سلول‌ها در کل دامنه.
• Local Sizing (Refinement):
• اولویت بالا: ناحیه اطراف سیلندر نیم‌دایره‌ای، جایی که انتظار گرادیان‌های شدید سرعت و دما و پدیده جدایش جریان را داریم، باید دارای مش بسیار ریز باشد.
• می‌توانید از Face Sizing (برای سطوح در 3D یا لبه‌ها در 2D) یا Body Sizing (برای تعریف یک ناحیه خاص) برای ریز کردن مش در این نواحی استفاده کنید.
• Growth Rate: برای انتقال آرام از مش ریز به مش درشت‌تر.

1. لایه‌های مرزی (Inflation Layers):

• اهمیت: این لایه‌ها برای حل دقیق لایه‌های مرزی هیدرودینامیکی و حرارتی در نزدیکی سطح سیلندر ضروری هستند. بدون آن‌ها، پیش‌بینی‌های انتقال حرارت و درگ می‌توانند بسیار نادرست باشند.
• نحوه اعمال:
• انتخاب Inflation در تنظیمات مش.
• انتخاب Cylinder_Wall به عنوان مرزی که Inflation Layer بر روی آن اعمال می‌شود.
• پارامترهای کلیدی:
• First Layer Height (ارتفاع اولین لایه): این پارامتر برای کنترل عدد y+ (یا y* برای انتقال حرارت) حیاتی است. ارتفاع اولین لایه باید به گونه‌ای تنظیم شود که y+ در محدوده مناسب برای مدل آشفتگی انتخابی (مثلاً y+~1 برای مدل‌های Low-Re یا y+~30-100 برای مدل‌های Wall Function) قرار گیرد.
• Number of Layers (تعداد لایه‌ها): معمولاً بین 10 تا 20 لایه برای پوشش مناسب لایه مرزی.
• Growth Rate (نرخ رشد): تعیین می‌کند که اندازه لایه‌ها با دور شدن از سطح چقدر افزایش یابد (معمولاً 1.1 تا 1.2).

1. کیفیت مش (Mesh Quality Checks):

• پس از تولید مش، حتماً متریک‌های کیفیت مش را بررسی کنید:
• Skewness (اعوجاج): باید تا حد امکان به صفر نزدیک باشد (زیر 0.8 بسیار خوب، زیر 0.9 قابل قبول برای Fluent). سلول‌های با Skewness بالا می‌توانند منجر به ناپایداری و نتایج نادرست شوند.
• Orthogonal Quality (کیفیت متعامد): باید به 1 نزدیک باشد (بالای 0.2-0.15 معمولاً قابل قبول است).
• در صورت مشاهده سلول‌های با کیفیت پایین، باید مش‌بندی را اصلاح کنید (مثلاً با تغییر Sizing، اعمال محلی Refinement یا تغییر روش‌های مش‌بندی).

1. Generate Mesh: پس از تنظیمات، Generate Mesh را کلیک کنید و منتظر بمانید تا مش تولید شود.

با دقت در این مراحل، هندسه و مش‌بندی با کیفیتی خواهید داشت که پایه و اساس یک شبیه‌سازی دقیق و قابل اعتماد در ANSYS Fluent را فراهم می‌کند.

کلیدواژه ها : هندسه- Geometry- مش‌بندی- Meshing- سیلندر نیم‌دایره‌ای- Semi-Circular Cylinder- ANSYS DesignModeler- ANSYS SpaceClaim- دامنه سیال- Fluid Domain- 2D Simulation- 3D Simulation- Boolean Subtract- نام‌گذاری سطوح- Named Selections- Inlet- Outlet- Cylinder_Wall- ANSYS Meshing- Quad Mesh- Hexahedral Mesh- Polyhedral Mesh- Tetrahedral Mesh- تراکم مش- Mesh Density- Local Sizing- Refinement- لایه‌های مرزی- Inflation Layers- First Layer Height- yplus (y+)- Number of Layers- Growth Rate- کیفیت مش- Mesh Quality- Skewness- Orthogonal Quality- Generate Mesh.