پدیده تعامل سیال و سازه (FSI) به مطالعه همزمان رفتار یک سازه (جامد) تحت تأثیر جریان سیال و تأثیر متقابل تغییر شکل سازه بر رفتار سیال اطلاق می‌شود. این پدیده‌ها می‌توانند شامل ارتعاشات ناشی از جریان، خستگی، شکستگی و تغییر شکل‌های دائمی باشند. در COMSOL Multiphysics، امکان شبیه‌سازی دقیق این پدیده‌ها با کوپلینگ فیزیک‌های مختلف فراهم شده است.

درک تعامل سیال و سازه (FSI)

FSI زمانی اتفاق می‌افتد که یک سیال و یک سازه جامد به گونه‌ای با یکدیگر در تعامل باشند که رفتار هر یک، رفتار دیگری را به شکل قابل توجهی تغییر دهد. این تعامل می‌تواند به دو صورت یک‌طرفه (One-Way Coupling) یا دوطرفه (Two-Way Coupling) باشد:

  • کوپلینگ یک‌طرفه: در این حالت، جریان سیال بر سازه تأثیر می‌گذارد و آن را تغییر شکل می‌دهد، اما تغییر شکل سازه تأثیری بر جریان سیال ندارد. این حالت برای تغییر شکل‌های بسیار کوچک قابل قبول است.
  • کوپلینگ دوطرفه: این حالت که معمول‌تر و پیچیده‌تر است، زمانی است که جریان سیال باعث تغییر شکل سازه می‌شود و سپس این تغییر شکل سازه به نوبه خود بر الگوی جریان سیال تأثیر می‌گذارد. اکثر مسائل FSI مهم در این دسته قرار می‌گیرند.

شبیه‌سازی FSI در COMSOL Multiphysics

COMSOL Multiphysics ابزاری قدرتمند برای شبیه‌سازی مسائل FSI ارائه می‌دهد. این نرم‌افزار به کاربر اجازه می‌دهد تا فیزیک‌های مختلف (مانند مکانیک سیالات و مکانیک جامدات) را به‌صورت همزمان و کوپل‌شده حل کند. هسته اصلی شبیه‌سازی FSI در COMSOL بر پایه روش شبکه متحرک (Moving Mesh) است که با نام ALE (Arbitrary Lagrangian-Eulerian) نیز شناخته می‌شود. این روش امکان ردیابی تغییر شکل هندسه سیال را که در اثر حرکت سازه ایجاد می‌شود، فراهم می‌کند.

مراحل گام‌به‌گام شبیه‌سازی FSI در COMSOL

برای شبیه‌سازی تغییر شکل مانع در اثر عبور سیال، مراحل زیر باید در COMSOL Multiphysics دنبال شوند:

۱. تعریف هندسه (Geometry Definition)

هندسه مدل باید به‌گونه‌ای طراحی شود که دامنه سیال و دامنه جامد (مانع) به‌وضوح از یکدیگر متمایز باشند.

  • دامنه سیال: ناحیه‌ای که سیال در آن جریان دارد.
  • دامنه جامد: ناحیه‌ای که مانع یا سازه تغییر شکل‌دهنده را نشان می‌دهد.

همانند توضیح قبلی، استفاده از پارامترها و عملیات بولی (Boolean Operations) برای ایجاد هندسه دقیق و مدیریت‌پذیر توصیه می‌شود. اطمینان حاصل کنید که مرز مشترک بین دامنه سیال و جامد به‌درستی تعریف شده باشد.

۲. تعریف ویژگی‌های مواد (Material Properties)

برای هر دو دامنه سیال و جامد، باید ویژگی‌های مواد مربوطه را تعریف کنید:

  • برای سیال: چگالی (Density)، ویسکوزیته (Viscosity) و هر ویژگی دیگر مرتبط با رفتار جریان.
  • برای جامد: چگالی (Density)، مدول یانگ (Young’s Modulus)، ضریب پواسون (Poisson’s Ratio) و هر ویژگی مکانیکی دیگر که رفتار تغییر شکل آن را توصیف کند.

انتخاب دقیق این ویژگی‌ها برای دستیابی به نتایج معتبر حیاتی است.

۳. افزودن رابط‌های فیزیکی (Adding Physics Interfaces)

در بخش Model Wizard یا با استفاده از Add Physics، رابط‌های فیزیکی زیر را اضافه کنید:

  • Laminar Flow / Turbulent Flow: بسته به عدد رینولدز و نوع جریان سیال، یکی از این رابط‌ها را برای دامنه سیال انتخاب کنید.
  • Solid Mechanics: این رابط برای تعریف خواص مکانیکی و حل معادله حرکت در دامنه جامد استفاده می‌شود.
  • Fluid-Structure Interaction (FSI): این رابط، فیزیک‌های جریان سیال و مکانیک جامدات را به‌صورت خودکار کوپل می‌کند. پس از افزودن این رابط، گره‌های FSI به صورت خودکار در بخش Solid Mechanics و Fluid Flow اضافه می‌شوند.

۴. مش‌بندی (Meshing)

مش‌بندی در مسائل FSI بسیار حیاتی است، به‌ویژه در نواحی نزدیک به مرز مشترک سیال-جامد.

  • Refined Mesh: از مش‌های ریزتر در نزدیکی مانع و مرزهای مشترک استفاده کنید.
  • Free Triangular / Free Tetrahedral: برای ایجاد مش در دامنه‌های پیچیده.
  • Moving Mesh (Deforming Domain): گره “Deforming Domain” که بخشی از رابط FSI است، اجازه می‌دهد تا مش در دامنه سیال در اثر تغییر شکل سازه، حرکت کند. این موضوع برای مدل‌سازی دقیق تغییر شکل سیال ضروری است.

COMSOL به‌طور خودکار تنظیمات لازم برای مش متحرک را در مرز مشترک اعمال می‌کند.

۵. اعمال شرایط مرزی و قیدها (Boundary Conditions and Constraints)

  • برای سیال:
  • Inlet: سرعت یا فشار ورودی.
  • Outlet: فشار خروجی (معمولاً فشار صفر یا جو).
  • Wall: شرایط عدم لغزش (No-slip) در دیواره‌ها و مرز مشترک با سازه.
  • برای جامد:
  • Fixed Constraint: اعمال قیدهای ثابت برای بخش‌هایی از سازه که قرار نیست تغییر شکل دهند (مثلاً لبه‌های متصل به چارچوب).
  • Free Surfaces: سطح مانع که در معرض جریان سیال است، آزاد گذاشته می‌شود تا تحت تأثیر نیروهای سیال تغییر شکل دهد.
  • FSI Coupling: رابط FSI به‌طور خودکار نیروهای سیال را به سازه و تغییر شکل سازه را به دامنه سیال منتقل می‌کند.

۶. تنظیم مطالعه (Study Setup)

برای شبیه‌سازی تغییر شکل مانع، معمولاً از مطالعه وابسته به زمان (Time-Dependent) استفاده می‌شود.

  • Time-Dependent Study: این مطالعه به شما اجازه می‌دهد تا تکامل تغییر شکل و جریان سیال را در طول زمان مشاهده کنید.
  • Coupled Study: COMSOL به‌طور خودکار حل‌کننده‌های مناسب برای مسائل کوپل شده FSI را انتخاب می‌کند.

۷. پس‌پردازش و تحلیل نتایج (Post-processing and Analysis)

پس از حل موفقیت‌آمیز، می‌توانید نتایج را تحلیل کنید:

  • جابجایی و تغییر شکل مانع (Deformation Plot): با استفاده از Contour Plot برای spf.disp (جابجایی سیال) یا solid.disp (جابجایی جامد) می‌توانید میزان و الگوی تغییر شکل مانع را مشاهده کنید.
  • تنش و کرنش در سازه (Stress and Strain): نمودارهای solid.mises (تنش وون میسز) برای ارزیابی نواحی بحرانی و احتمال شکست در سازه.
  • میدان سرعت و فشار سیال (Velocity and Pressure Field): با Streamline Plot و Contour Plot از spf.u و spf.p می‌توانید الگوی جریان و توزیع فشار در اطراف مانع را بررسی کنید.
  • نیروهای وارد بر مانع: با استفاده از Derived Values و انتگرال‌گیری از تنش‌ها یا فشار بر روی سطوح مانع، می‌توانید نیروی درگ (Drag Force) و لیفت (Lift Force) را محاسبه کنید.
  • انیمیشن (Animation): ایجاد انیمیشن از نتایج وابسته به زمان، برای درک بهتر پویایی تغییر شکل و جریان.

با انجام دقیق این مراحل، می‌توانید تغییر شکل پیچیده یک مانع را در اثر عبور سیال، با دقت بالا در COMSOL Multiphysics شبیه‌سازی و تحلیل کنید.

کلیدواژه ها : شبیه سازی تغییر شکل مانع-COMSOL Multiphysics-تعامل سیال و سازه (FSI)-کوپلینگ سیال و جامد-روش شبکه متحرک (Moving Mesh)-ALE (Arbitrary Lagrangian-Eulerian)-هندسه FSI-ویژگی‌های مواد-Laminar Flow-Solid Mechanics-رابط فیزیکی FSI-مش‌بندی FSI-Deforming Domain-شرایط مرزی سیال-شرایط مرزی جامد-Fixed Constraint-مطالعه وابسته به زمان (Time-Dependent)-جابجایی مانع-تنش وون میسز (Von Mises Stress)-میدان سرعت سیال-میدان فشار سیال-نیروهای سیال بر سازه-شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)-مکانیک سیالات-مکانیک جامدات-تحلیل سازه-Fluid-Structure Interaction simulation-COMSOL FSI-Obstacle deformation-Fluid flow effects-Coupled physics-Moving mesh method-ALE formulation-Geometry definition-Material properties-Physics interfaces-Meshing strategies-Boundary conditions-Time-dependent study-Post-processing-Deformation analysis-Stress distribution-Fluid velocity-Pressure field-Drag force-Lift force