حل گذرا جریان سطح آزاد آب در انسیس فلوئنت

شبیه‌سازی موفق جریان‌های سطح آزاد با مدل Volume of Fluid (VOF) در ANSYS Fluent به شدت به دقت در تعریف هندسه و کیفیت مش‌بندی دامنه محاسباتی بستگی دارد. در این مرحله، هدف ایجاد یک دامنه سیال است که شامل هر دو فاز (آب و هوا) باشد و امکان حرکت سطح مشترک بین آن‌ها را فراهم کند.

۱. ترسیم هندسه (Geometry Drawing)

در شبیه‌سازی‌های VOF، نیازی به ترسیم جداگانه برای هر فاز نیست. یک دامنه سیال واحد که کل منطقه مورد علاقه را پوشش می‌دهد، ترسیم می‌شود. سطح مشترک بین فازها (آب و هوا) به صورت دینامیک توسط حلگر Fluent و بر اساس کسر حجمی هر فاز تعیین می‌گردد.

الف. انتخاب نرم‌افزار و اصول ترسیم:

• نرم‌افزار: می‌توانید از ANSYS DesignModeler یا ANSYS SpaceClaim برای ترسیم هندسه دو بعدی استفاده کنید. DesignModeler برای هندسه‌های پارامتریک و SpaceClaim برای مدل‌سازی مستقیم و سریع‌تر مناسب است.
• دامنه کامل سیال: هندسه باید کل ناحیه‌ای که سیالات قرار است در آن حرکت کنند را شامل شود. به عنوان مثال، اگر کانالی را شبیه‌سازی می‌کنید که بخشی از آن با آب و بخشی با هوا پر می‌شود، کل کانال باید به عنوان دامنه سیال تعریف شود.
• ساده‌سازی دو بعدی: برای هندسه‌های دو بعدی، یک طرح (Sketch) در یک صفحه (مثلاً XY) ایجاد می‌شود و سپس برای ایجاد یک سطح (Surface) با ضخامت صفر یا بسیار کوچک (مثلاً 0.001 متر) به بیرون کشیده (Extrude) می‌شود.Fluent این سطح را به عنوان یک دامنه دو بعدی تفسیر می‌کند.
• نام‌گذاری انتخاب‌ها (Named Selections): این مرحله حیاتی است. تمامی مرزهای هندسه (مانند ورودی، خروجی، دیواره‌ها و تقارن در صورت وجود) باید به وضوح نام‌گذاری شوند (مثلاً Inlet_Water, Outlet_Air, Wall_Bottom, Wall_Top, Symmetry). این نام‌ها سپس به عنوان شرایط مرزی در Fluent مورد استفاده قرار می‌گیرند. نام‌گذاری صحیح فرآیند تنظیمات در Fluent را بسیار ساده‌تر می‌کند.

ب. مثال: ترسیم کانال با ورودی و خروجی:

تصور کنید قصد شبیه‌سازی ورود آب به یک کانال خالی را دارید:

1. Sketch: یک مستطیل در صفحه XY ترسیم کنید که ابعاد و طول کانال شما را مشخص می‌کند.
2. Extrude: این مستطیل را به یک سطح Extrude کنید (با ضخامت کوچک).
3. Named Selections:

• یک لبه را به عنوان Inlet (ورودی آب و هوا) نام‌گذاری کنید.
• لبه مقابل را به عنوان Outlet (خروجی آب و هوا) نام‌گذاری کنید.
• لبه‌های بالا و پایین را به عنوان Walls (دیواره‌ها) نام‌گذاری کنید.
• اگر مسئله متقارن است، ممکن است یک لبه را Symmetry نام‌گذاری کنید.

۲. مش‌بندی (Meshing)

کیفیت مش‌بندی تأثیر بسزایی در دقت و پایداری حل جریان‌های سطح آزاد دارد. به دلیل حرکت دینامیکی رابط فازی، نیاز به توجه ویژه به این مرحله است.

الف. انتخاب نرم‌افزار و نوع المان:

• نرم‌افزار: از ANSYS Meshing برای تولید مش استفاده کنید.
• المان‌های چهارضلعی (Quadrilateral Elements): برای هندسه‌های دو بعدی، استفاده از المان‌های چهارضلعی (Quad) به جای مثلثی (Tri) به شدت توصیه می‌شود. المان‌های Quad از دقت عددی بالاتری برخوردار بوده و نسبت به المان‌های Tri، پخش عددی (Numerical Diffusion) کمتری ایجاد می‌کنند. این امر به ویژه برای حفظ و ردیابی دقیق سطح آزاد حیاتی است.

ب. کنترل کیفیت و اندازه مش:

• کیفیت مش (Mesh Quality): پارامترهای کیفیت مش مانند Skewness (اعوجاج) و Orthogonal Quality (کیفیت متعامد) باید در محدوده قابل قبول باشند. مقادیر Skewness باید زیر 0.85 و Orthogonal Quality بالای 0.15 باشد. کیفیت پایین مش می‌تواند منجر به ناپایداری حل یا نتایج نادرست شود.
• ریزسازی مش (Mesh Refinement):
• ناحیه سطح آزاد: مهم‌ترین بخش ریزسازی مش، در نواحی است که انتظار می‌رود سطح آزاد آب و هوا در آنجا حرکت کند. یک مش ریز در این مناطق، باعث بازسازی دقیق‌تر رابط فازی توسط الگوریتم VOF می‌شود. می‌توانید از ابزارهای Sizing یا Refinement در ANSYS Meshing برای این منظور استفاده کنید.
• نزدیک دیواره‌ها: برای حل دقیق لایه مرزی و محاسبه صحیح انتقال مومنتوم و حرارت در نزدیکی سطوح جامد، ریزسازی مش نزدیک دیواره‌ها ضروری است.
• لایه‌های مرزی (Inflation Layers): برای شبیه‌سازی دقیق لایه مرزی و محاسبه پارامترهای آشفتگی (مانند $y^{+}$y+)، اضافه کردن Inflation Layers در نزدیکی دیواره‌ها بسیار مهم است. این لایه‌ها از سلول‌های چهارضلعی بسیار نازک تشکیل شده‌اند که به صورت تدریجی از دیواره به سمت جریان آزاد ضخیم‌تر می‌شوند. حداقل ۵ تا ۱۰ لایه در لایه مرزی توصیه می‌شود.

ج. بررسی استقلال از مش (Mesh Independence Study):

پس از ایجاد یک مش، ضروری است که مطالعه استقلال از مش انجام دهید. این کار با حل مسئله بر روی حداقل سه مش با درجات ریزسازی مختلف (مثلاً مش درشت، متوسط و ریز) و مقایسه نتایج کلیدی (مانند افت فشار، سرعت در یک نقطه خاص، ارتفاع سطح آب) انجام می‌شود. زمانی که تغییرات نتایج بین دو مش متوالی ناچیز باشد، می‌توان گفت که حل از مش مستقل شده است.

د. مراحل مش‌بندی در ANSYS Meshing:

1. Import Geometry: هندسه را از DesignModeler/SpaceClaim وارد کنید.
2. Global Sizing: یک اندازه المان اولیه برای کل دامنه تعیین کنید.
3. Method: برای هندسه‌های دو بعدی و بهینه‌سازی برای المان‌های چهارضلعی، از روش Mapped Face Meshing یا MultiZone استفاده کنید.
4. Sizing (Local Refinement): در لبه‌های ورودی، خروجی و به ویژه در مناطقی که سطح آزاد حرکت می‌کند (مثلاً در یک کانال، ناحیه میانی که آب و هوا با هم در ارتباط هستند)، اندازه المان را کاهش دهید.
5. Inflation: لایه‌های مرزی را در دیواره‌ها (Named Selections مربوط به Walls) فعال کنید. تعداد لایه‌ها، رشد لایه و ارتفاع اولین لایه را تعیین کنید تا $y^{+}$y+ مطلوب (معمولاً بین 30 تا 300 برای مدل‌های آشفتگی استاندارد، یا زیر 1 برای مدل‌های SST) حاصل شود.
6. Generate Mesh: مش را تولید کنید و کیفیت آن را بررسی کنید.

کلیدواژه ها : ترسیم-هندسه-Geometry-Drawing-مش‌بندی-Meshing-هندسه-دو-بعدی-2D-Geometry-انسیس-فلوئنت-ANSYS-Fluent-سطح-آزاد-Free-Surface-VOF-Volume-of-Fluid-کیفیت-مش-Mesh-Quality-ریزسازی-مش-Mesh-Refinement-لایه‌های-مرزی-Inflation-Layers-المان-چهارضلعی-Quadrilateral-Elements-DesignModeler-SpaceClaim-ANSYS-Meshing-نام‌گذاری-انتخاب‌ها-Named-Selections-استقلال-از-مش-Mesh-Independence-Study-پخش-عددی-Numerical-Diffusion-y-plus-Skewness-Orthogonal-Quality-شبیه‌سازی-دوفازی-Multiphase-Simulation-دامنه-سیال-Fluid-Domain-شرایط-مرزی-Boundary-Conditions-کانال-Channel-Extrude-Surface-گام-محاسباتی-Computational-Step-دقت-عددی-Numerical-Accuracy-پایداری-حل-Solution-Stability