مدلسازی جریان دوبعدی در کانال با انقباض ناگهانی با انسیس فلوئنت

مدلسازی جریان در کانال‌هایی با تغییرات ناگهانی هندسی، مانند انقباض یا انبساط ناگهانی، یکی از مسائل بنیادی در مکانیک سیالات محاسباتی (CFD) است. این نوع مسائل به دلیل ایجاد نواحی جدایش جریان (Flow Separation)، بازگشت جریان (Recirculation Zones) و تغییرات ناگهانی فشار و سرعت، چالش‌برانگیز هستند و در بسیاری از کاربردهای مهندسی از جمله نازل‌ها، دیفیوزرها، شیرها و مبدل‌های حرارتی اهمیت دارند. ANSYS Fluent ابزاری قدرتمند برای تحلیل دقیق این پدیده‌هاست.

۱. ترسیم هندسه کانال با انقباض ناگهانی

اولین گام، تعریف دقیق هندسه در یک محیط CAD مانند ANSYS DesignModeler یا SpaceClaim است. برای شبیه‌سازی دو بعدی، ما یک برش مقطعی از کانال را مدل می‌کنیم.

الف. اصول طراحی هندسه دو بعدی:

• ابعاد کانال: ابعاد ورودی و خروجی کانال و نسبت انقباض (نسبت عرض کانال کوچک‌تر به کانال بزرگ‌تر) باید به دقت تعریف شود.
• طول توسعه‌یافته: توصیه می‌شود قبل از انقباض و بعد از آن، طول کافی برای کانال در نظر گرفته شود تا جریان به طور کامل توسعه یابد (Fully Developed Flow) و اثرات ورودی و خروجی بر ناحیه انقباض به حداقل برسد. این طول معمولاً چندین برابر ارتفاع کانال است.
• خطوط تقارن (در صورت وجود): اگر هندسه متقارن است و جریان نیز متقارن پیش‌بینی می‌شود، می‌توان تنها نیمی از کانال را مدل کرد و از شرط مرزی Symmetry استفاده کرد تا هزینه محاسباتی کاهش یابد.

ب. گام‌های ترسیم هندسه در DesignModeler (مثال):

1. باز کردن DesignModeler: یک پروژه جدید در ANSYS Workbench ایجاد کرده و DesignModeler را باز کنید.
2. انتخاب صفحه: یک صفحه (مثلاً XY Plane) را برای ترسیم انتخاب کنید.
3. رسم طرح (Sketch):

• ابتدا کانال ورودی را به صورت یک مستطیل رسم کنید.
• سپس، کانال خروجی را به صورت مستطیلی با عرض کمتر در ادامه کانال ورودی رسم کنید، به طوری که یک انقباض ناگهانی ایجاد شود.
• مطمئن شوید که خطوط به درستی به هم وصل شده‌اند و یک پروفایل بسته برای دامنه جریان ایجاد شده است.
• با استفاده از ابعاد (Dimensions) طول و عرض دقیق کانال‌ها را مشخص کنید.

1. ایجاد سطح (Surface From Sketches): از طرح ایجاد شده، یک سطح دو بعدی ایجاد کنید (Concepts > Surfaces From Sketches). این سطح، دامنه محاسباتی شما خواهد بود.
2. تعریف Named Selections: این مرحله بسیار مهم است. برای هر مرز فیزیکی در هندسه، یک “Named Selection” با نامی گویا ایجاد کنید. این نام‌ها در Fluent برای اعمال شرایط مرزی استفاده خواهند شد:

• inlet (ورودی)
• outlet (خروجی)
• wall_top (دیواره بالایی)
• wall_bottom (دیواره پایینی)
• اگر از تقارن استفاده می‌کنید: symmetry

۲. مش‌بندی کانال با انقباض ناگهانی

مش‌بندی در این نوع مسائل برای ثبت دقیق جدایش و بازگشت جریان حیاتی است. نرم‌افزار ANSYS Meshing برای این کار استفاده می‌شود.

الف. ملاحظات کلی مش‌بندی:

• کیفیت مش (Mesh Quality): پارامترهای کیفیت مش مانند Skewness و Orthogonal Quality باید در محدوده قابل قبول باشند تا از پایداری و دقت حل اطمینان حاصل شود. Skewness کمتر از 0.85 و Orthogonal Quality بالای 0.1 توصیه می‌شود.
• نوع سلول: برای جریان‌های دو بعدی، سلول‌های چهارضلعی (Quad) به دلیل کیفیت بالاتر و دقت بهتر در مقایسه با سلول‌های مثلثی (Tri) ترجیح داده می‌شوند، به خصوص در نزدیکی دیواره‌ها و در مناطق با جریان همسو.

ب. استراتژی‌های مش‌بندی خاص:

1. لایه‌های بادی (Inflation Layers):

• برای ثبت دقیق لایه مرزی سیالاتی و حرارتی در نزدیکی دیواره‌ها (دیواره‌های بالایی و پایینی)، ایجاد لایه‌های بادی ضروری است.
• این لایه‌ها شامل سلول‌های مستطیلی بسیار ریز با رشد تدریجی ضخامت هستند که عمود بر دیواره قرار می‌گیرند.
• پارامترهایی مانند “First Layer Thickness” (بر اساس $y^{+}$y+ مورد نظر، معمولاً $y^{+}\approx 1$y+≈1 برای مدل‌های آشفتگی حساس به لایه مرزی)، “Number of Layers” و “Growth Rate” باید به دقت تنظیم شوند.

1. ریزسازی مش (Mesh Refinement) در ناحیه انقباض و جدایش:

• نواحی اطراف انقباض ناگهانی و نقاط جدایش جریان (به ویژه گوشه‌های تیز) باید دارای مش بسیار ریز باشند.
• از ابزار Sizing در ANSYS Meshing (مانند Edge Sizing یا Face Sizing) برای کنترل اندازه سلول‌ها در این مناطق استفاده کنید.
• هدف این است که گرادیان‌های تند سرعت و فشار در این نواحی با دقت کافی ثبت شوند.

1. مش‌بندی سازمان‌یافته (Structured Meshing):

• در صورت امکان، از مش‌بندی سازمان‌یافته (با استفاده از Face Meshing و Edge Sizing مناسب) برای دستیابی به سلول‌های چهارضلعی با کیفیت بالا در کل دامنه استفاده کنید. این کار به همگرایی بهتر و نتایج دقیق‌تر کمک می‌کند.
• می‌توانید دامنه را به چند بخش مستطیلی تقسیم کرده و سپس برای هر بخش به صورت جداگانه مش سازمان‌یافته ایجاد کنید.

ج. گام‌های عملی در ANSYS Meshing:

1. وارد کردن هندسه: هندسه ایجاد شده در DesignModeler را به ANSYS Meshing منتقل کنید.
2. تنظیمات کلی: یک Global Element Size مناسب را برای شروع تعیین کنید.
3. Inflation: Inflation را بر روی دیواره‌های wall_top و wall_bottom اعمال کنید.
4. Sizing محلی:

• Edge Sizing را بر روی لبه‌های ورودی و خروجی برای توزیع یکنواخت سلول‌ها اعمال کنید.
• Face Sizing را بر روی ناحیه انقباض برای ریزتر کردن مش در این منطقه اعمال کنید.

1. Generate Mesh: پس از اعمال تنظیمات، مش را تولید کنید.
2. Check Mesh Quality: حتماً کیفیت مش را (از طریق Mesh Metrics و Quality) بررسی کنید و در صورت نیاز، تنظیمات مش‌بندی را تغییر دهید تا به مش با کیفیت مطلوب دست یابید.

۳. تنظیمات حلگر در ANSYS Fluent

پس از آماده‌سازی مش، نوبت به تعریف مدل‌های فیزیکی و شرایط حل در Fluent می‌رسد.

الف. General Settings:

• Type: 2D (Planar).
• Solver: Pressure-Based برای جریان‌های غیرتراکم‌پذیر یا تراکم‌پذیری کم.
• Time: Steady (برای تحلیل حالت پایدار جریان).

ب. Models:

• Energy Equation: اگر تحلیل انتقال حرارت مد نظر نیست، غیرفعال (Off) باشد.
• Viscous Model (مدل آشفتگی):
• برای اعداد رینولدز بالا (جریان آشفته)، انتخاب مدل آشفتگی مناسب ضروری است.
• $k-ϵ$k−ϵ (Realizable or RNG): مدل‌های رایج و پرکاربرد هستند.
• $k-\omega$k−ω SST: این مدل به دلیل دقت بالا در لایه‌های مرزی و همچنین در مناطق با جدایش جریان و گردابه‌ها، اغلب برای جریان‌های پیچیده و مسائل با جدایش جریان توصیه می‌شود.

ج. Materials (مواد):

• Fluid: Air به عنوان سیال پیش‌فرض با خواص فیزیکی مناسب (چگالی، ویسکوزیته). اگر جریان تراکم‌پذیر است، چگالی باید به صورت Ideal Gas تعریف شود.

د. Boundary Conditions (شرایط مرزی):

• inlet: Velocity Inlet (سرعت ورودی و شدت آشفتگی/طول مقیاس) یا Mass Flow Inlet.
• outlet: Pressure Outlet (فشار گیج صفر یا فشار محیط) یا Outflow (در صورت عدم اطمینان از توزیع فشار).
• wall_top, wall_bottom: Wall (با شرط عدم لغزش No-Slip).
• symmetry (در صورت وجود): Symmetry.

ه. Solution Methods (روش‌های حل):

• Pressure-Velocity Coupling: SIMPLE, SIMPLEC, یا PISO. SIMPLEC یا Coupled (برای سرعت همگرایی بالاتر) می‌توانند گزینه‌های خوبی باشند.
• Spatial Discretization: Second Order Upwind برای معادلات Momentum و Turbulence برای دقت بالاتر.

و. Initialization (مقداردهی اولیه) و Run Calculation:

• Initialization: از Hybrid Initialization برای یک راه‌اندازی اولیه پایدار استفاده کنید.
• Run Calculation:
• تعداد تکرارها (Number of Iterations) را تعیین کنید.
• پایش Residuals (باقیمانده‌ها) برای اطمینان از همگرایی. معمولاً ${10}^{-4}$10−4 برای پیوستگی و اندازه حرکت و ${10}^{-5}$10−5 برای آشفتگی کافی است.
• پایش مقادیر مهم فیزیکی (مانند افت فشار، سرعت در نقاط خاص) در طول حل برای تأیید همگرایی فیزیکی.

۴. پس‌پردازش و تحلیل نتایج

پس از همگرایی حل، می‌توان نتایج را در ANSYS CFD-Post یا Fluent داخلی (Graphics & Animations) تحلیل کرد.

الف. Visualizations (تصویرسازی):

• Contours (کنتورها):
• Velocity Contours: برای مشاهده توزیع سرعت و شناسایی نواحی جدایش جریان و گردابه‌ها.
• Pressure Contours: برای مشاهده توزیع فشار و افت فشار در طول کانال.
• Turbulence Kinetic Energy Contours: برای مشاهده مناطق با آشفتگی بالا.
• Streamlines (خطوط جریان): برای تجسم مسیرهای جریان و مشاهده واضح مناطق جدایش و بازگشت جریان.
• Vectors (بردارهای سرعت): برای مشاهده جهت و اندازه سرعت در نواحی جدایش.

ب. Quantitative Analysis (تحلیل کمی):

• Pressure Drop (افت فشار): محاسبه افت فشار بین ورودی و خروجی کانال.
• Recirculation Zone Characteristics: اندازه‌گیری طول و عرض نواحی جدایش و بازگشت جریان.
• Velocity Profiles: ترسیم پروفایل‌های سرعت در مقاطع مختلف کانال (قبل، در ناحیه انقباض و بعد از آن).
• Wall Shear Stress: بررسی تنش برشی دیواره برای ارزیابی اصطکاک.

با تحلیل دقیق این پارامترها، می‌توان رفتار جریان را در کانال با انقباض ناگهانی به خوبی درک کرد و اثرات پارامترهای هندسی یا شرایط ورودی را بر عملکرد آن بررسی نمود.

کلیدواژه ها : مدلسازی جریان-Flow Modeling-کانال-Channel-انقباض ناگهانی-Sudden Contraction-انسیس فلوئنت-ANSYS Fluent-جریان دو بعدی-2D Flow-جدایش جریان-Flow Separation-ناحیه بازگشت جریان-Recirculation Zone-DesignModeler-Named Selections-مش بندی-Meshing-لایه‌های بادی-Inflation Layers-کیفیت مش-Mesh Quality-مدل آشفتگی-Turbulence Model-k-omega SST-شرایط مرزی-Boundary Conditions-افت فشار-Pressure Drop-پس پردازش-Post-processing-کنتور سرعت-Velocity Contours-خطوط جریان-Streamlines-