حل گذرا جریان سطح آزاد آب در انسیس فلوئنت

پس از تعریف دقیق هندسه دو بعدی و ایجاد یک مش با کیفیت مناسب برای شبیه‌سازی جریان سطح آزاد، گام بعدی تنظیمات حلگر (Solver Setup) و انجام تحلیل در ANSYS Fluent است. این مرحله شامل پیکربندی مدل VOF، تعریف خواص فازها، اعمال شرایط مرزی، و انتخاب روش‌های حل عددی مناسب برای ثبت دقیق حرکت دینامیکی سطح آزاد است.

۱. تنظیمات حلگر (Solver Setup)

الف. فعال‌سازی مدل چندفازی (Multiphase Model):

• مدل Volume of Fluid (VOF): در بخش Models و زیرمجموعه Multiphase Models، Volume of Fluid را فعال کنید.
• Number of Phases: برای جریان آب و هوا، 2 فاز را انتخاب کنید.
• VOF Explicit/Implicit Formulation:
• Implicit: (پیش‌فرض) برای اکثر مسائل گذرا و به ویژه هنگامی که گام زمانی بزرگ‌تر است، پایداری عددی بهتری ارائه می‌دهد. این روش محاسباتی پیچیده‌تر است اما می‌تواند به همگرایی سریع‌تر در هر گام زمانی کمک کند.
• Explicit: برای شبیه‌سازی‌هایی با گام زمانی بسیار کوچک و عدد CFL بسیار پایین، ممکن است دقت بالاتری در بازسازی رابط ارائه دهد، اما از لحاظ پایداری حساس‌تر است. معمولاً Implicit توصیه می‌شود.
• Open Channel Flow (اختیاری): اگر شبیه‌سازی جریان در کانال‌های باز با سطح آزاد افقی در ورودی و خروجی است، فعال‌سازی این گزینه می‌تواند به پایدارتر کردن شرایط مرزی Pressure Outlet و Pressure Inlet کمک کند. این گزینه نیازمند تعریف Free Surface Level است.

ب. تعریف فازها (Phases) و خواص مواد:

• Primary Phase: معمولاً air (هوا) را به عنوان فاز اصلی انتخاب کنید.
• Secondary Phase: water (آب) را به عنوان فاز ثانویه تعریف کنید.
• خواص مواد: اطمینان حاصل کنید که چگالی ($\rho$ρ) و ویسکوزیته ($\mu$μ) برای هر دو فاز به درستی وارد شده‌اند. برای مثال:
• Air: $\rho =1.225{\text{ kg/m}}^3$ρ=1.225 kg/m3, $\mu =1.7894\times {10}^{-5}\text{ kg/(m.s)}$μ=1.7894×10−5 kg/(m.s)
• Water: $\rho =998.2{\text{ kg/m}}^3$ρ=998.2 kg/m3, $\mu =1.003\times {10}^{-3}\text{ kg/(m.s)}$μ=1.003×10−3 kg/(m.s)
• کشش سطحی (Surface Tension):
• در بخش Phase Interaction، Surface Tension را فعال کنید و ضریب کشش سطحی (مثلاً $0.072\text{ N/m}$0.072 N/m برای رابط آب-هوا در دمای اتاق) را وارد کنید. این پارامتر برای شبیه‌سازی‌های دقیق پدیده‌هایی مانند موئینگی، پاشش قطرات یا تشکیل امواج کوچک ضروری است.
• Contact Angle: در بخش Wall Adhesion (زیر Surface Tension)، می‌توانید Contact Angle را برای هر دیواره‌ای که با سطح آزاد در تماس است، تعریف کنید. این زاویه، زاویه تماس سیال ترکننده (آب) با سطح جامد است و در شکل‌گیری صحیح رابط فازی در نزدیکی دیواره‌ها نقش دارد.

ج. فعال‌سازی گرانش (Gravity):

• در بخش Operating Conditions، گزینه Gravity را فعال کرده و مؤلفه شتاب گرانش را در جهت مناسب وارد کنید. برای مثال، اگر جهت عمودی Y است، y = -9.81 m/s^2 را وارد کنید. وجود گرانش برای جریان‌های سطح آزاد که تحت تأثیر نیروی وزن قرار دارند، ضروری است.

د. مدل آشفتگی (Turbulence Model):

• برای جریان‌های آشفته، انتخاب مدل مناسب حیاتی است.
• $k-\omega$k−ω SST: به دلیل توانایی بالا در پیش‌بینی لایه‌های مرزی، جدایش جریان و نواحی گردابه‌ای، گزینه بسیار مناسبی برای این نوع شبیه‌سازی‌ها است.
• $k-ϵ$k−ϵ Realizable: نیز می‌تواند نتایج خوبی ارائه دهد، اما SST معمولاً در شبیه‌سازی جریان‌های سطح آزاد و پدیده‌های جدایش دقیق‌تر عمل می‌کند.

۲. شرایط مرزی (Boundary Conditions)

تنظیمات شرایط مرزی باید به گونه‌ای باشد که رفتار دینامیکی هر دو فاز را به درستی منعکس کند.

• Inlet (ورودی):
• Velocity Inlet: سرعت ورودی جریان را مشخص کنید. کسر حجمی فاز آب ($VolumeFractionofWater=1$VolumeFractionofWater=1) را در این مرز تعیین کنید تا نشان‌دهنده ورود آب باشد. اگر ورودی ترکیبی از آب و هوا است، کسر حجمی مربوطه را وارد کنید.
• Outlet (خروجی):
• Pressure Outlet: فشار گیج را معمولاً 0 در نظر بگیرید. در بخش Multiphase مربوط به این مرز، Backflow Volume Fraction را برای فاز ثانویه (آب) 0 و برای فاز اصلی (هوا) 1 قرار دهید تا هوا به عنوان فاز غالب در صورت بازگشت جریان در نظر گرفته شود.
• Walls (دیواره‌ها):
• Wall: معمولاً No-Slip را اعمال کنید. اگر Contact Angle را در بخش کشش سطحی تعریف کرده‌اید، اطمینان حاصل کنید که این تنظیمات در شرایط مرزی دیواره نیز اعمال شده باشد.

۳. روش‌های حل عددی (Solution Methods) و کنترل حل (Solution Controls)

• Pressure-Velocity Coupling:
• PISO (Pressure-Implicit with Splitting of Operators): برای حل جریان‌های گذرا با مدل VOF، PISO به دلیل پایداری و دقت بالا در مسائل گذرا و مسائل چندفازی توصیه می‌شود. Coupled نیز یک گزینه قدرتمند دیگر است.
• Spatial Discretization:
• Pressure: برای جریان‌های سطح آزاد، PRESTO! (Pressure Staggering Option) یا Body Force Weighted برای بازسازی صحیح میدان فشار در نزدیکی رابط توصیه می‌شوند.
• Momentum, Turbulence: از Second Order Upwind برای دقت بالاتر استفاده کنید.
• Volume Fraction: بسیار مهم است که Geo-Reconstruct را انتخاب کنید. این روش، دقیق‌ترین و بهترین روش برای بازسازی هندسی رابط بین فازها است و به حفظ وضوح سطح آزاد کمک شایانی می‌کند.
• Transient Formulation: Second Order Implicit را برای دقت زمانی بالا انتخاب کنید.

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

برای مسائل VOF، مقداردهی اولیه نه تنها میدان جریان (سرعت، فشار) بلکه موقعیت اولیه رابط فازی را نیز شامل می‌شود.

• Initialize: از Hybrid Initialization استفاده کنید.
• Patching: این گام برای تعیین موقعیت اولیه سطح آزاد حیاتی است.

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 تعریف مختصات X, Y) را انتخاب کنید که در ابتدا توسط آب پر شده است.
5. Patch را اعمال کنید. این کار باعث می‌شود که ناحیه انتخاب شده دارای کسر حجمی آب 1 و بقیه دامنه (به طور خودکار) دارای کسر حجمی هوا 1 (و آب 0) باشد.

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

مدیریت گام زمانی در شبیه‌سازی‌های VOF اهمیت فوق‌العاده‌ای دارد.

• Time Step Size: گام زمانی باید به اندازه‌ای کوچک باشد که حرکت رابط فازی را به درستی ثبت کند.
• عدد CFL (Courant-Friedrichs-Lewy): برای پایداری حل و دقت در بازسازی رابط، عدد CFL در ناحیه رابط نباید از 1 تجاوز کند. Fluent دارای مکانیزمی برای نظارت بر عدد CFL و حتی تنظیم خودکار گام زمانی (Adaptive Time Stepping) بر اساس آن است.
• معمولاً گام‌های زمانی در محدوده ${10}^{-4}$10−4 تا ${10}^{-2}$10−2 ثانیه (بسته به ابعاد مسئله و سرعت جریان) مورد نیاز است.
• Adaptive Time Stepping: فعال‌سازی Adaptive Time Stepping در Calculation Activities -> Solution Animations (یا در Run Calculation) می‌تواند به مدیریت بهینه گام زمانی کمک کند. می‌توانید حداکثر و حداقل گام زمانی و عدد CFL هدف را مشخص کنید.
• Number of Time Steps: تعداد گام‌های زمانی مورد نیاز برای پوشش زمان فیزیکی مورد نظر شبیه‌سازی را تعیین کنید.
• Max Iterations/Time Step: تعداد تکرارها در هر گام زمانی برای همگرایی معادلات. معمولاً 20 تا 50 تکرار کافی است.
• Solution Animation: برای مشاهده حرکت دینامیکی سطح آزاد، حتماً Solution Animation را فعال کرده و کانتور Volume Fraction of Water را در فواصل زمانی منظم (مثلاً هر 10 یا 20 گام زمانی) ذخیره کنید.

۶. پایش همگرایی (Convergence Monitoring)

علاوه بر Residuals (باقیمانده‌ها)، پایش پارامترهای فیزیکی در طول زمان برای اطمینان از همگرایی فیزیکی مهم است.

• Monitors: می‌توانید Monitors را برای کسر حجمی آب در یک نقطه خاص، دبی جرمی در خروجی، یا ارتفاع سطح آب در یک مقطع خاص تنظیم کنید. اینها به شما کمک می‌کنند تا زمانی که حل به یک حالت پایدار گذرا رسیده است یا رفتار مورد نظر را نشان می‌دهد، تشخیص دهید.

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

پس از اتمام شبیه‌سازی، تحلیل نتایج به شما امکان می‌دهد تا بینش عمیقی از پدیده‌های جریان سطح آزاد به دست آورید.

الف. تجسم حرکت سطح آزاد:

• کانتور کسر حجمی (Volume Fraction Contours):
• مهم‌ترین ابزار برای تجسم سطح آزاد. یک کانتور از Volume Fraction of Water ایجاد کنید. خط کانتور با مقدار $0.5$0.5 معمولاً به عنوان رابط فازی بین آب و هوا در نظر گرفته می‌شود.
• انیمیشن (Animation):
• با استفاده از داده‌های Solution Animation ذخیره شده، یک انیمیشن از کانتور کسر حجمی آب بسازید. این انیمیشن‌ها برای درک پدیده‌های گذرا مانند تشکیل امواج، نفوذ جریان، پر شدن مخازن یا حرکت یک قطعه در آب ضروری هستند.

ب. بررسی میدان جریان:

• کانتور/بردارهای سرعت (Velocity Contours/Vectors): برای مشاهده توزیع سرعت در هر دو فاز و در نزدیکی رابط فازی. این به شما کمک می‌کند تا الگوهای جریان، گردابه‌ها و نواحی با سرعت بالا یا پایین را شناسایی کنید.
• کانتور فشار (Pressure Contours): برای تحلیل توزیع فشار و افت فشار در دامنه.
• خطوط جریان (Streamlines): برای تجسم مسیرهای سیال. می‌توانید خطوط جریان را برای هر فاز به طور جداگانه یا برای هر دو فاز نمایش دهید.

ج. تحلیل کمی:

• Mass/Volume Flow Rate: بررسی دبی جرمی یا حجمی آب و هوا در ورودی و خروجی برای اطمینان از پایستگی جرم و تحلیل عملکرد سیستم.
• نیروها (Forces): محاسبه نیروهای وارد بر دیواره‌ها یا موانع (مانند نیروی وارد بر سد، موج‌شکن یا ستون) در طول زمان.
• پروفایل‌ها و نمودارها (Plots): رسم پروفایل سرعت، فشار یا کسر حجمی در امتداد خطوط یا مقاطع خاص برای تحلیل جزئی‌تر.
• ارتفاع سطح آزاد (Free Surface Height): پایش ارتفاع سطح آب در یک نقطه یا خط خاص در طول زمان با استفاده از Report Definitions یا Monitors.

با انجام این مراحل، می‌توانید یک شبیه‌سازی دو بعدی دقیق و پایدار از جریان گذرا سطح آزاد آب در ANSYS Fluent انجام داده و تحلیل جامعی از رفتار سیالات به دست آورید.

کلیدواژه ها : شبیه‌سازی دوبعدی- 2D Simulation- جریان سطح آزاد- Free Surface Flow- انسیس فلوئنت- ANSYS Fluent- مدل VOF- Volume of Fluid- کسر حجمی- Volume Fraction- حلگر- Solver Setup- خواص مواد- Material Properties- کشش سطحی- Surface Tension- گرانش- Gravity- مدل آشفتگی- Turbulence Model- K-Omega SST- شرایط مرزی- Boundary Conditions- مقداردهی اولیه- Initialization- پچینگ- Patching- گام زمانی- Time Step- عدد CFL- CFL Number- پس‌پردازش- Post-Processing- انیمیشن- Animation- کانتور سرعت- Velocity Contours- کانتور فشار- Pressure Contours- همگرایی- Convergence- Geo-Reconstruct- PISO- Transient Formulation- Contact Angle- پایستگی جرم- Mass Conservation- Open Channel Flow- Implicit Formulation- Explicit Formulation- Solution Methods- Solution Controls- Prediction Analysis-