پس از اینکه هندسه کانال با انقباض ناگهانی به درستی در DesignModeler ترسیم و مش‌بندی مناسب (همراه با لایه‌های بادی و ریزسازی در نواحی حساس) در ANSYS Meshing تولید شد، گام بعدی انتقال این مش به ANSYS Fluent برای تعریف مدل‌های فیزیکی، اعمال شرایط مرزی، اجرای شبیه‌سازی و در نهایت تحلیل نتایج است. هدف از این بخش، درک جامع از نحوه پیکربندی Fluent و تفسیر داده‌های خروجی برای مطالعه پدیده‌هایی مانند جدایش جریان و افت فشار در چنین هندسه‌هایی است.

۱. تنظیمات حلگر در ANSYS Fluent

هنگامی که مش را از ANSYS Meshing به Fluent وارد می‌کنید، باید تنظیمات مختلفی را برای مدل‌سازی دقیق جریان انجام دهید.

الف. تنظیمات عمومی (General Settings):

  • نوع شبیه‌سازی (Type): برای جریان‌های دو بعدی، 2D (Planar) را انتخاب کنید.
  • حلگر (Solver):
  • Pressure-Based: برای جریان‌های تراکم‌ناپذیر یا با تراکم‌پذیری کم، این حلگر توصیه می‌شود. این حالت برای اکثر شبیه‌سازی‌های صنعتی و مهندسی که سرعت جریان بسیار کمتر از سرعت صوت است، مناسب است.
  • Density-Based: برای جریان‌های تراکم‌پذیر با سرعت بالا (نزدیک یا بیشتر از سرعت صوت) مناسب است.
  • حالت زمانی (Time):
  • Steady: برای تحلیل حالت پایدار جریان، که در آن شرایط جریان با زمان تغییر نمی‌کند. این حالت محاسباتی ارزان‌تر است.
  • Transient: اگر می‌خواهید رفتار ناپایدار جریان، مانند تشکیل یا از بین رفتن گردابه‌ها را بررسی کنید، باید از حلگر ناپایدار استفاده کنید.

ب. مدل‌های فیزیکی (Models):

  • معادله انرژی (Energy Equation): اگر تحلیل انتقال حرارت مد نظر نیست، این گزینه را Off (غیرفعال) کنید. در غیر این صورت، آن را فعال کرده و مدل‌های انتقال حرارت مربوطه را تنظیم نمایید.
  • مدل لزجت (Viscous Model / Turbulence Model):
  • برای جریان‌های با عدد رینولدز بالا (جریان آشفته)، انتخاب مدل آشفتگی مناسب حیاتی است.
  • Laminar: اگر عدد رینولدز بسیار پایین است و جریان آرام است، این گزینه را انتخاب کنید.
  • k−ϵk-\epsilonk−ϵ (Realizable یا RNG): این مدل‌ها پرکاربرد و از لحاظ محاسباتی پایدار هستند، اما ممکن است در نزدیکی دیواره‌ها و نواحی جدایش دقت کمتری داشته باشند.
  • k−ωk-\omegak−ω SST (Shear Stress Transport): این مدل به دلیل توانایی بالا در پیش‌بینی دقیق لایه‌های مرزی، جدایش جریان و نواحی گردابه‌ای، گزینه بسیار مناسبی برای این نوع مسائل است. مدل SST ترکیبی از مزایای مدل‌های k−ϵk-\epsilonk−ϵ (در جریان آزاد) و k−ωk-\omegak−ω (در لایه مرزی) را ارائه می‌دهد. معمولاً برای y+≈1y^+ \approx 1y+≈1 در دیواره‌ها به دقت بالایی می‌رسد.

ج. مواد (Materials):

  • سیال (Fluid): Air به عنوان سیال پیش‌فرض در Fluent تعریف شده است. می‌توانید خواص فیزیکی آن (مانند چگالی و ویسکوزیته) را بررسی یا تغییر دهید. اگر جریان تراکم‌پذیر است، چگالی را می‌توان به صورت Ideal Gas تعریف کرد. در غیر این صورت، Constant Density مناسب است.

د. شرایط مرزی (Boundary Conditions):

این بخش حیاتی است و شرایط فیزیکی را در مرزهای دامنه محاسباتی شما تعریف می‌کند. نام‌های تعریف شده در DesignModeler (Named Selections) در اینجا ظاهر می‌شوند.

  • inlet (ورودی):
  • Velocity Inlet: سرعت ورودی، جهت جریان و مقادیر مربوط به آشفتگی (مانند شدت آشفتگی و طول مقیاس) را تعیین کنید.
  • Mass Flow Inlet: اگر دبی جرمی ورودی مشخص است.
  • outlet (خروجی):
  • Pressure Outlet: فشار گیج (Gauge Pressure) در خروجی (معمولاً صفر برای فشار اتمسفریک) و مقادیر مربوط به آشفتگی.
  • Outflow: اگر پروفایل جریان در خروجی ناشناخته است و به شرایط کاملاً توسعه‌یافته نزدیک می‌شود.
  • wall_top, wall_bottom (دیواره‌ها):
  • Wall: با شرط No-Slip (عدم لغزش) که سرعت سیال در مجاورت دیواره صفر است. می‌توانید شرایط حرارتی دیواره (مانند دما یا شار حرارتی) را نیز مشخص کنید.
  • symmetry (در صورت وجود):
  • Symmetry: اگر از تقارن برای کاهش دامنه محاسباتی استفاده کرده‌اید، این شرط را اعمال کنید.

ه. روش‌های حل (Solution Methods):

  • Pressure-Velocity Coupling:
  • SIMPLE / SIMPLEC / PISO: این الگوریتم‌ها برای کوپلینگ فشار و سرعت استفاده می‌شوند. SIMPLEC معمولاً برای شبیه‌سازی‌های حالت پایدار توصیه می‌شود و Coupled می‌تواند همگرایی سریع‌تری را ارائه دهد اما از لحاظ محاسباتی گران‌تر است.
  • Spatial Discretization:
  • برای معادلات Momentum و Turbulence، Second Order Upwind را برای دقت بالاتر انتخاب کنید. برای Pressure، PRESTO! یا Second Order گزینه‌های خوبی هستند.

و. مقداردهی اولیه (Initialization) و اجرای محاسبات (Run Calculation):

  • Initialization: از Hybrid Initialization برای یک راه‌اندازی اولیه پایدار استفاده کنید که می‌تواند به همگرایی سریع‌تر کمک کند.
  • Run Calculation:
  • Number of Iterations: تعداد تکرارها را تعیین کنید.
  • Residuals: پایش Residuals (باقیمانده‌ها) برای اطمینان از همگرایی عددی بسیار مهم است. معمولاً مقادیر 10−410^{-4}10−4 برای پیوستگی (Continuity) و اندازه حرکت (Momentum) و 10−510^{-5}10−5 برای آشفتگی (Turbulence) نشان‌دهنده همگرایی مناسب هستند.
  • Monitors: تعریف مانیتورها برای پایش مقادیر مهم فیزیکی (مانند افت فشار، سرعت در نقاط خاص یا نیروی وارد بر دیواره‌ها) در طول حل می‌تواند به تأیید همگرایی فیزیکی کمک کند.

۲. پس‌پردازش و تحلیل نتایج

پس از همگرایی حل، زمان آن است که نتایج را در ANSYS CFD-Post یا ابزارهای داخلی Fluent (مانند Graphics & Animations) تجسم و تحلیل کنید.

الف. تصویرسازی (Visualizations):

  • Contours (کنتورها):
  • Velocity Contours: برای مشاهده توزیع سرعت در سراسر کانال و شناسایی نواحی جدایش جریان و گردابه‌ها. در ناحیه انقباض، سرعت افزایش می‌یابد و پس از آن در ناحیه بازگشت جریان، کاهش می‌یابد.
  • Pressure Contours: برای مشاهده توزیع فشار و افت فشار در طول کانال. کاهش فشار در ناحیه انقباض و افزایش آن پس از جدایش (بازیابی فشار) قابل مشاهده خواهد بود.
  • Turbulence Kinetic Energy Contours: برای مشاهده مناطق با آشفتگی بالا، که معمولاً در نواحی جدایش و بازگشت جریان متمرکز هستند.
  • Streamlines (خطوط جریان):
  • این ابزار برای تجسم مسیرهای جریان بسیار مفید است و به وضوح نواحی جدایش و بازگشت جریان را نشان می‌دهد. می‌توانید مشاهده کنید که خطوط جریان چگونه از دیواره جدا شده و یک گردابه را تشکیل می‌دهند.
  • Vectors (بردارهای سرعت):
  • برای مشاهده جهت و اندازه سرعت در نواحی جدایش. بردارهای سرعت در ناحیه گردابه، جریان معکوس را نشان می‌دهند.

ب. تحلیل کمی (Quantitative Analysis):

  • Pressure Drop (افت فشار): محاسبه دقیق افت فشار بین ورودی و خروجی کانال یا در طول ناحیه انقباض، برای ارزیابی عملکرد هیدرولیکی کانال. می‌توانید میانگین فشار در ورودی و خروجی را استخراج کرده و اختلاف آن‌ها را محاسبه کنید.
  • Recirculation Zone Characteristics: اندازه‌گیری طول و عرض نواحی جدایش و بازگشت جریان (از طریق خطوط جریان یا کانتور سرعت منفی) برای ارزیابی شدت جدایش.
  • Velocity Profiles: ترسیم پروفایل‌های سرعت در مقاطع مختلف کانال (قبل از انقباض، در ناحیه انقباض و پس از آن) برای مشاهده تغییر شکل پروفایل سرعت به دلیل انقباض و جدایش.
  • Wall Shear Stress: بررسی تنش برشی دیواره برای ارزیابی اصطکاک و انتقال مومنتوم به دیواره. در نواحی جدایش، تنش برشی به صفر می‌رسد و حتی منفی می‌شود.
  • Coefficient of Pressure (ضریب فشار): برای مقایسه فشار در نقاط مختلف نسبت به فشار مرجع.

با تحلیل جامع این پارامترها، می‌توان رفتار جریان را در کانال با انقباض ناگهانی به خوبی درک کرد، تأثیرات هندسه و شرایط ورودی را بر عملکرد جریان بررسی نمود و نتایج را با داده‌های تجربی یا تحلیلی مقایسه کرد. این تحلیل‌ها برای بهینه‌سازی طراحی کانال‌ها و اجزای سیالاتی بسیار ارزشمند هستند.

کلیدواژه ها : شبیه‌سازی-Simulation-تحلیل-Analysis-جریان-Flow-کانال-Channel-انقباض ناگهانی-Sudden-Contraction-انسیس فلوئنت-ANSYS-Fluent-مدل آشفتگی-Turbulence-Model-k-omega SST-شرایط مرزی-Boundary-Conditions-جدایش جریان-Flow-Separation-افت فشار-Pressure-Drop-پس‌پردازش-Post-processing-کنتور سرعت-Velocity-Contours-خطوط جریان-Streamlines-