در بسیاری از مسائل دینامیک سیالات، جسم جامد در داخل سیال قرار دارد و حرکت آن تحت تأثیر نیروهای هیدرودینامیکی، گرانش و گشتاورهای واردشده از طرف سیال قرار میگیرد. نمونههایی مانند شناورهای دریایی، اجسام متحرک در کانال، ذرات یا اجسام صلب بزرگ، تجهیزات غوطهور و سازههای تحت اثر جریان از جمله کاربردهای این نوع شبیهسازی هستند.
قابلیت Immersed Solids در ANSYS CFX امکان مدلسازی جسم صلبی را فراهم میکند که بدون نیاز به ایجاد یک مش منطبق با سطح جسم، درون دامنه سیال قرار گرفته و میتواند حرکت کند. CFX با استفاده از یک روش مبتنی بر اعمال منبع مومنتوم، سرعت سیال در ناحیه همپوشان با جسم را به حرکت جسم مرتبط میکند.
مفهوم Immersed Solid در ANSYS CFX
در روش Immersed Solid، جسم صلب بهصورت یک دامنه غوطهور در دامنه سیال تعریف میشود. برخلاف روشهای متداولی که سطح جسم مستقیماً توسط المانهای مش دنبال میشود، در این روش سطح جامد بهصورت صریح توسط مش سیال Resolve نمیشود.
حلگر CFX در هر مرحله مشخص میکند کدام بخش از دامنه سیال با حجم جسم غوطهور همپوشانی دارد و سپس با اعمال نیروی مومنتوم مناسب، سیال موجود در آن ناحیه را به سمت سرعت جسم هدایت میکند. در نتیجه، جریان خارج از جسم رفتار مشابه جریان اطراف یک جسم صلب واقعی پیدا میکند.
حرکت جسم تحت اثر نیروهای سیال
یکی از مهمترین ویژگیهای این روش، امکان اتصال حرکت جسم به نیروهای واردشده از طرف سیال است. در مدل Rigid Body Solution، معادلات حرکت جسم بر اساس جرم، ممان اینرسی، نیروهای خارجی، گشتاورها و گرانش حل میشوند.
CFX میتواند برای جسم صلب تا شش درجه آزادی (6 DOF) را در نظر بگیرد؛ سه درجه آزادی انتقالی و سه درجه آزادی دورانی. البته بسته به مسئله میتوان تنها برخی از این درجات آزادی را فعال کرد؛ برای مثال، یک جسم شناور ممکن است فقط حرکت عمودی و چرخش حول یک محور مشخص داشته باشد.
کوپلشدن جریان سیال و حرکت جسم
در مسائل Fluid–Structure Interaction از نوع جسم صلب، نیروهای سیال و حرکت جسم بهصورت متقابل بر یکدیگر اثر میگذارند. جریان باعث ایجاد نیروی درگ، لیفت، نیروی شناوری و گشتاور روی جسم میشود و این نیروها حرکت جسم را تغییر میدهند. تغییر موقعیت و سرعت جسم نیز به نوبه خود میدان جریان اطراف آن را تغییر میدهد.
در تحلیلهای گذرا، CFX میتواند بین حل میدان جریان و حل حرکت جسم ارتباط برقرار کند و با استفاده از تکرارهای کوپلشده، نیرو، گشتاور و حرکت جسم را تا رسیدن به همگرایی مناسب در هر گام زمانی هماهنگ کند. این کوپلشدن برای مسائلی که حرکت جسم تأثیر قابل توجهی بر جریان دارد، اهمیت ویژهای دارد.
نقش گرانش و نیروی شناوری
در شبیهسازی اجسام غوطهور، گرانش معمولاً یکی از نیروهای اصلی تعیینکننده رفتار جسم است. اختلاف چگالی جسم و سیال میتواند باعث ایجاد حرکت شناوری، غوطهوری یا بازگشت جسم به موقعیت تعادلی شود.
به همین دلیل، جرم جسم، مرکز جرم، ممانهای اینرسی و جهت گرانش باید با وضعیت فیزیکی مسئله سازگار باشند. در یک جسم شناور، تعادل میان وزن جسم و نیروی شناوری میتواند موقعیت تعادلی را تعیین کند و تغییرات جریان اطراف جسم ممکن است این تعادل را بهصورت دینامیکی تغییر دهد. قابلیتهای Rigid Body در CFX برای چنین تعاملاتی طراحی شدهاند و حتی نمونه رسمی ANSYS برای یک Buoy در جریان دوفازی آب–هوا از حلگر جسم صلب و درجات آزادی محدودشده استفاده میکند.
تفاوت Immersed Solid با Rigid Body مبتنی بر Mesh Motion
در ANSYS CFX، جسم صلب را میتوان به دو رویکرد اصلی مدل کرد: استفاده از نواحی سطحی همراه با Mesh Motion یا استفاده از Immersed Solid.
در روش Mesh Motion، حرکت جسم به مش اطراف آن منتقل میشود و سطح جسم بهصورت مستقیم در شبکه محاسباتی دنبال میشود. در روش Immersed Solid، جسم درون دامنه سیال قرار گرفته و حرکت آن بدون نیاز به تغییر شکل مش اصلی مدل میشود. این ویژگی میتواند برای حرکتهای پیچیده یا جابهجاییهایی که تغییر شکل شدید مش ایجاد میکنند، مزیت مهمی باشد.
با این حال، Immersed Solid برای همه مسائل بهترین انتخاب نیست. در مستندات ANSYS محدودیتهایی از جمله عدم پشتیبانی از تغییرشکل مش برای دامنه immersed solid و محدودیت در برخی مدلهای فیزیکی ذکر شده است. همچنین در تحلیلهای گذرا، تعامل Immersed Solid با دامنههای چندفازی یا تراکمپذیر دارای محدودیتهایی است؛ بنابراین انتخاب این روش باید متناسب با نوع مسئله انجام شود.
پارامترهای مهم در مدلسازی دینامیکی
برای یک مدل قابل اعتماد، پارامترهایی مانند جرم، مرکز جرم، ممان اینرسی، درجات آزادی، نیروهای خارجی، گشتاورها و گرانش اهمیت اساسی دارند. همچنین موقعیت اولیه جسم و مشخصات دامنه سیال باید با وضعیت واقعی سیستم سازگار باشند.
یکی دیگر از موضوعات مهم، شدت اعمال منبع مومنتوم در ناحیه جسم است. CFX این منبع را بهصورت خودکار محاسبه میکند و ضریب مقیاس آن میتواند بر میزان تطبیق سرعت سیال با سرعت جسم و در نتیجه بر دقت و پایداری حل اثر بگذارد.
تحلیل نتایج حرکت جسم و میدان جریان
پس از حل، تحلیل صرفاً به مشاهده موقعیت نهایی جسم محدود نمیشود. تغییرات موقعیت، سرعت انتقالی، زاویه چرخش، سرعت زاویهای، نیروها و گشتاورها میتوانند رفتار دینامیکی جسم را مشخص کنند.
در کنار این کمیتها، بررسی کانتورهای سرعت و فشار و همچنین ساخت انیمیشن از حرکت جسم میتواند ارتباط میان ساختار جریان و حرکت جسم را آشکار کند. در مسائل دوفازی، مشاهده همزمان حرکت جسم و تغییر سطح مشترک آب و هوا نیز اطلاعات ارزشمندی درباره نیروهای هیدرودینامیکی و شناوری ارائه میدهد. نمونه آموزشی رسمی ANSYS نیز از CFD-Post برای بررسی میدانها، حرکت جسم و انیمیشن دینامیکی استفاده میکند.
در مجموع، Immersed Solid در ANSYS CFX روشی قدرتمند برای بررسی حرکت اجسام صلب در جریان سیال است که با حذف نیاز به دنبالکردن مستقیم سطح جسم توسط مش، امکان بررسی مسائل پیچیده حرکت جسم و سیال را فراهم میکند. با این حال، شناخت تفاوت آن با Mesh Motion، محدودیتهای روش و نحوه کوپل نیروهای سیال با معادلات حرکت، برای دستیابی به نتایج قابل اعتماد ضروری است.
کلیدواژه ها : شبیه سازی Immersed Solid-Immersed Solid ANSYS CFX-اجسام غوطه ور در سیال-Fluid Immersed Bodies-دینامیک اجسام صلب-Rigid Body Dynamics-حرکت جسم صلب-Rigid Body Motion-حلگر جسم صلب-Rigid Body Solver-شش درجه آزادی-6 DOF-نیروی شناوری-Buoyancy Force-نیروی هیدرودینامیکی-Hydrodynamic Force-گشتاور سیال-Fluid Torque-کوپل سیال و جسم-Fluid Body Coupling-Mesh Motion-حرکت مش-جریان اطراف جسم-Flow Around Body-شبیه سازی جسم شناور-Buoy Simulation-جسم غوطه ور در ANSYS CFX-شبیه سازی دینامیکی CFX-Transient Simulation-تحلیل اجسام متحرک-Moving Body Analysis-ANSYS CFX-انسیس سیافایکس
