حل گذرا جریان سطح آزاد آب در انسیس فلوئنت

شبیه‌سازی جریان‌های سطح آزاد که شامل دو یا چند فاز سیال غیرقابل امتزاج (مانند آب و هوا) هستند و دارای یک رابط مشترک متحرک می‌باشند، از مسائل پیچیده و چالش‌برانگیز در دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) به شمار می‌روند. این نوع جریان‌ها در کاربردهای گسترده‌ای از جمله جریان در سدها و سرریزها، موج‌شکن‌ها، پر شدن مخازن، حرکت کشتی‌ها و پاشش سیال اهمیت دارند. ANSYS Fluent با ارائه مدل حجم سیال (Volume of Fluid - VOF) ابزاری قدرتمند برای مدلسازی دقیق این پدیده‌های گذرا فراهم می‌کند.

۱. انتخاب مدل VOF و تنظیمات عمومی

مدل VOF در Fluent برای شبیه‌سازی رابط‌های بین دو یا چند سیال غیرقابل امتزاج به کار می‌رود که در آن هر سیال کسر حجمی (Volume Fraction) خاص خود را در هر سلول محاسباتی اشغال می‌کند. مجموع کسرهای حجمی تمامی فازها در هر سلول برابر با یک است.

الف. فعال‌سازی مدل VOF:

• در بخش Models در Fluent، به Multiphase Models رفته و Volume of Fluid (VOF) را فعال کنید.
• تعداد فازها را معمولاً 2 (برای آب و هوا) انتخاب کنید.
• Formulation: معمولاً Implicit توصیه می‌شود که از لحاظ پایداری عددی بهتر عمل می‌کند، به خصوص برای گام‌های زمانی بزرگ‌تر. Explicit ممکن است برای برخی مسائل خاص با گام زمانی بسیار کوچک، دقت بالاتری داشته باشد.
• Volume Fraction Parameters: Body Force Formulation را روی Implicit تنظیم کنید.

ب. تنظیمات عمومی حلگر:

• Type: برای جریان‌های سطح آزاد گذرا، حتماً Transient را انتخاب کنید.
• Solver: Pressure-Based برای جریان‌های تراکم‌ناپذیر یا با تراکم‌پذیری کم مناسب است.

۲. تعریف فازها (Phases) و خواص مواد

برای شبیه‌سازی جریان سطح آزاد آب و هوا، نیاز به تعریف دقیق خواص هر دو سیال داریم.

الف. تعریف مواد (Materials):

• Fluid 1 (Air): خواص پیش‌فرض هوا (چگالی $1.225{\text{ kg/m}}^3$1.225 kg/m3 و ویسکوزیته $1.7894\times {10}^{-5}\text{ kg/(m.s)}$1.7894×10−5 kg/(m.s)) معمولاً کافی است.
• Fluid 2 (Water): خواص پیش‌فرض آب (چگالی $998.2{\text{ kg/m}}^3$998.2 kg/m3 و ویسکوزیته $1.003\times {10}^{-3}\text{ kg/(m.s)}$1.003×10−3 kg/(m.s)) را استفاده کنید.
• Surface Tension: اگر کشش سطحی بین آب و هوا در مسئله اهمیت دارد (به ویژه در مقیاس‌های کوچک یا در حضور امواج)، آن را در بخش Phase Interaction برای جفت فاز آب و هوا فعال کرده و ضریب کشش سطحی (مثلاً $0.072\text{ N/m}$0.072 N/m برای آب-هوا) را وارد کنید.

ب. تعریف فازها (Phases):

• در بخش Phases، Primary Phase را معمولاً air و Secondary Phase را water انتخاب کنید.
• از طریق Define Phase می‌توانید نام و خواص هر فاز را (مانند material) مشخص کنید.

۳. شرایط مرزی (Boundary Conditions)

شرایط مرزی در مدلسازی جریان سطح آزاد باید به دقت تعریف شوند تا رفتار واقعی فیزیکی را منعکس کنند.

• Inlet (ورودی):
• Velocity Inlet: معمولاً برای ورودی جریان آب. سرعت آب و کسر حجمی آب ($VolumeFractionofWater=1$VolumeFractionofWater=1) را در این مرز تعیین کنید. اگر ورودی هوا نیز دارید، کسر حجمی هوا را 1 و آب را 0 قرار دهید.
• Outlet (خروجی):
• Pressure Outlet: فشار گیج (Gauge Pressure) را معمولاً صفر در نظر بگیرید. این شرایط مرزی امکان خروج هر دو فاز را فراهم می‌کند. اطمینان حاصل کنید که Backflow Volume Fraction به درستی تنظیم شده باشد (معمولاً کسر حجمی فاز اصلی (هوا) 1 و فاز ثانویه (آب) 0).
• Walls (دیواره‌ها):
• Wall: شرط No-Slip را اعمال کنید. اگر اثرات ترشوندگی (Wetting) دیواره توسط آب مهم است (مثلاً برای حرکت قطرات یا فیلم‌های نازک)، می‌توانید Wall Adhesion را فعال کرده و Contact Angle را مشخص کنید. زاویه تماس (Contact Angle) بین فاز آب و سطح جامد، نقش مهمی در شکل‌گیری سطح آزاد در نزدیکی دیواره‌ها ایفا می‌کند.
• Symmetry (در صورت وجود):
• Symmetry: اگر دامنه دارای تقارن است و تنها بخشی از آن مدل شده، این شرط را اعمال کنید.

۴. مدلسازی آشفتگی (Turbulence Model) و گرانش (Gravity)

• Turbulence Model: برای جریان‌های با عدد رینولدز بالا (که اکثر جریان‌های سطح آزاد هستند)، انتخاب مدل آشفتگی مناسب حیاتی است.
• $k-\omega$k−ω SST: این مدل به دلیل توانایی بالا در پیش‌بینی دقیق لایه‌های مرزی، جدایش جریان و نواحی گردابه‌ای، گزینه بسیار مناسبی است.
• $k-ϵ$k−ϵ (Realizable): در برخی موارد نیز می‌تواند عملکرد خوبی داشته باشد، اما برای جریان‌های پیچیده با جدایش، SST معمولاً دقیق‌تر است.
• Gravity: در بخش Operating Conditions، Gravity را فعال کرده و مؤلفه شتاب گرانش (مثلاً $-9.81{\text{ m/s}}^2$−9.81 m/s2 در جهت Y) را وارد کنید. وجود گرانش برای مدلسازی دقیق جریان سطح آزاد ضروری است.

۵. تنظیمات حل (Solution Methods) و کنترل حل (Solution Controls)

• Pressure-Velocity Coupling:
• PISO: برای حل جریان‌های گذرا با مدل VOF، الگوریتم PISO به دلیل قابلیت بهتر در مدیریت مسائل گذرا و رابط‌ها، معمولاً توصیه می‌شود. Coupled نیز گزینه قدرتمندی است.
• Spatial Discretization:
• برای معادلات Momentum و Turbulence، Second Order Upwind را برای دقت بالاتر انتخاب کنید.
• برای Pressure، PRESTO! یا Body Force Weighted برای جریان‌های با سطح آزاد توصیه می‌شود.
• برای Volume Fraction، از Geo-Reconstruct استفاده کنید که دقیق‌ترین روش برای بازسازی رابط است.
• Transient Formulation: Second Order Implicit برای دقت زمانی بالا توصیه می‌شود.
• Under-Relaxation Factors: برای اطمینان از پایداری حل، ممکن است نیاز باشد ضریب آرامش (Under-Relaxation Factor) را برای برخی متغیرها (مانند فشار) کمی کاهش دهید.

۶. مقداردهی اولیه (Initialization) و وصله‌زنی (Patching)

مقداردهی اولیه مناسب برای شبیه‌سازی‌های VOF بسیار مهم است.

• Initialize: از Hybrid Initialization استفاده کنید.
• Patching: پس از مقداردهی اولیه، باید ناحیه اولیه اشغال شده توسط آب را مشخص کنید. این کار با استفاده از Patch انجام می‌شود:

1. به Solution -> Initialize -> Patch بروید.
2. Phase را Water (فاز ثانویه) انتخاب کنید.
3. Volume Fraction را 1 تنظیم کنید.
4. یک ناحیه هندسی (مثلاً با استفاده از X-Y plane و X-Y bounds) که در ابتدا توسط آب اشغال شده است را مشخص کرده و Patch کنید. (بقیه دامنه به صورت خودکار توسط فاز اصلی (هوا) اشغال می‌شود).

۷. تنظیم گام زمانی (Time Step) و اجرای محاسبات (Run Calculation)

• Time Step Size: گام زمانی مناسب برای شبیه‌سازی‌های VOF بحرانی است.
• به دلیل حرکت رابط و نیاز به ثبت دقیق آن، گام‌های زمانی بسیار کوچک (معمولاً در محدوده ${10}^{-4}$10−4 تا ${10}^{-2}$10−2 ثانیه) مورد نیاز است.
• عدد Courant-Friedrichs-Lewy (CFL) برای مدل VOF بسیار مهم است. برای پایداری حل، عدد CFL در ناحیه رابط نباید از ۱ تجاوز کند.
• Fluent یک Adaptive Time Step را نیز ارائه می‌دهد که می‌تواند بر اساس عدد CFL گام زمانی را تنظیم کند و به پایداری حل کمک کند.
• Number of Time Steps: تعداد گام‌های زمانی مورد نیاز برای پوشش زمان فیزیکی مورد نظر شبیه‌سازی را تعیین کنید.
• Data Export for Animation: برای مشاهده حرکت سطح آزاد، حتماً خروجی داده‌ها را در فواصل زمانی منظم (مثلاً هر 10 یا 20 گام زمانی) برای ایجاد انیمیشن فعال کنید.
• Convergence: پایش Residuals (باقیمانده‌ها) برای هر گام زمانی بسیار مهم است. همچنین، می‌توان Monitors را برای کسر حجمی آب در خروجی یا یک نقطه خاص برای اطمینان از همگرایی فیزیکی تنظیم کرد.

۸. پس‌پردازش و تحلیل نتایج

پس از اتمام شبیه‌سازی، تحلیل نتایج در ANSYS CFD-Post یا خود Fluent برای درک رفتار جریان انجام می‌شود.

الف. تجسم حرکت سطح آزاد:

• Volume Fraction Contours: مهم‌ترین ابزار برای مشاهده موقعیت و شکل سطح آزاد. می‌توانید کانتور کسر حجمی آب را (برای مثال Volume Fraction of Water) ترسیم کنید. خطوط کانتور با مقدار $0.5$0.5 معمولاً به عنوان رابط بین دو فاز در نظر گرفته می‌شود.
• Animations: از داده‌های ذخیره شده در طول حل گذرا، یک انیمیشن از کانتور کسر حجمی آب بسازید تا حرکت سطح آزاد را در طول زمان مشاهده کنید. این انیمیشن‌ها برای درک پدیده‌های گذرا مانند تشکیل امواج، نفوذ جریان یا پر شدن مخازن بسیار مفید هستند.

ب. بررسی میدان جریان:

• Velocity Contours/Vectors: برای مشاهده توزیع سرعت در هر دو فاز (آب و هوا) و در نزدیکی رابط.
• Pressure Contours: برای تحلیل توزیع فشار و افت فشار در دامنه.
• Streamlines: برای تجسم مسیرهای جریان در هر فاز.

ج. تحلیل کمی:

• Mass/Volume Flow Rate: بررسی دبی جرمی یا حجمی آب و هوا در ورودی و خروجی برای اطمینان از پایستگی جرم.
• Force/Momentum: محاسبه نیروهای وارد بر دیواره‌ها (مثلاً نیروی وارد بر سد یا موج‌شکن) در طول زمان.
• Water Level: پایش ارتفاع سطح آب در یک نقطه یا خط خاص در طول زمان.

با استفاده از این رویکرد گام به گام، می‌توان شبیه‌سازی‌های دقیقی از جریان گذرا سطح آزاد آب در ANSYS Fluent انجام داد و بینش عمیقی نسبت به پدیده‌های فیزیکی مربوطه به دست آورد.

کلیدواژه ها : حل-گذرا-Transient-Simulation-جریان-سطح-آزاد-Free-Surface-Flow-آب-Water-انسیس-فلوئنت-ANSYS-Fluent-مدل-VOF-Volume-of-Fluid-کسر-حجمی-Volume-Fraction-شبیه‌سازی-دوفازی-Multiphase-Simulation-گام-زمانی-Time-Step-کشش-سطحی-Surface-Tension-گرانش-Gravity-شرایط-مرزی-Boundary-Conditions-مقداردهی-اولیه-Initialization-انیمیشن-Animation-پایستگی-جرم-Mass-Conservation-کنتور-سرعت-Velocity-Contours-کانتور-فشار-Pressure-Contours-مدل-آشفتگی-Turbulence-Model-K-Omega-SST-ژئو-بازسازی-Geo-Reconstruct-پچینگ-Patching-عدد-CFL-CFL-Number-