در بسیاری از مسائل مهندسی، حرکت یک جسم درون سیال باعث تغییر میدان جریان می‌شود و در مقابل، نیروهای ایجادشده توسط سیال نیز حرکت جسم را تحت تأثیر قرار می‌دهند. این پدیده که به‌عنوان اندرکنش سیال و سازه (Fluid–Structure Interaction یا FSI) شناخته می‌شود، در تحلیل شناورها، اجسام غوطه‌ور، تجهیزات متحرک، سازه‌های دریایی و بسیاری از مسائل دینامیک سیالات اهمیت دارد.

در ANSYS CFX، روش Immersed Solid رویکردی برای مدل‌سازی اجسام صلبی است که می‌توانند درون یک دامنه سیال حرکت کنند. در این روش، جسم به‌عنوان یک دامنه غوطه‌ور در داخل دامنه سیال تعریف می‌شود و حل‌گر با اعمال منابع مومنتوم، رفتار جریان در اطراف جسم را مطابق با حرکت آن کنترل می‌کند.

مفهوم روش Immersed Solid در ANSYS CFX

در روش‌های کلاسیک CFD، سطح جسم معمولاً به‌عنوان یک مرز جامد در شبکه محاسباتی تعریف می‌شود و با حرکت جسم، شبکه نیز باید متناسب با آن حرکت یا تغییر شکل دهد. این مسئله در جابه‌جایی‌های بزرگ می‌تواند پیچیدگی مش و مشکلات عددی ایجاد کند.

در Immersed Solid، جسم درون دامنه سیال قرار می‌گیرد و CFX در هر مرحله مشخص می‌کند کدام قسمت از میدان سیال در محدوده جسم قرار دارد. سپس با استفاده از یک Momentum Source، سرعت سیال در این ناحیه به سمت سرعت جسم هدایت می‌شود. در نتیجه، جریان در خارج از ناحیه غوطه‌ور رفتار مشابه جریان اطراف یک جسم صلب پیدا می‌کند.

این ویژگی باعث می‌شود Immersed Solid برای مسائلی که حرکت جسم قابل توجه است، رویکرد جذابی باشد؛ زیرا الزام به تغییر شکل مداوم شبکه سیال کاهش می‌یابد.

ارتباط Immersed Solid با Rigid Body

یکی از مفاهیم مهم در این روش، Rigid Body یا جسم صلب است. در CFX، یک جسم صلب می‌تواند به‌صورت مجموعه‌ای از نواحی سطحی مدل شود یا به‌صورت یک Immersed Solid تعریف گردد. در حالت دوم، حرکت جسم می‌تواند مستقیماً از حل معادلات حرکت جسم صلب به دست آید.

معادلات حرکت می‌توانند تا شش درجه آزادی (6 DOF) را در نظر بگیرند؛ شامل سه حرکت انتقالی و سه حرکت دورانی. در نتیجه، بسته به ماهیت مسئله می‌توان اجازه داد جسم آزادانه حرکت کند یا تنها برخی حرکات آن فعال باشند.

اندرکنش دوطرفه سیال و جسم

نکته اساسی در FSI این است که رابطه میان سیال و جسم یک‌طرفه نیست. جریان سیال نیرو و گشتاور به جسم وارد می‌کند و این نیروها باعث تغییر موقعیت، سرعت یا جهت‌گیری جسم می‌شوند. تغییر حرکت جسم نیز میدان جریان اطراف آن را تغییر می‌دهد.

برای مثال، در یک جسم شناور، نیروی شناوری، وزن، درگ و گشتاورهای هیدرودینامیکی می‌توانند وضعیت جسم را تعیین کنند. اگر جسم حرکت کند، هندسه مؤثر آن نسبت به جریان تغییر کرده و در نتیجه توزیع فشار و سرعت نیز تغییر خواهد کرد. این چرخه تعامل، اساس تحلیل دینامیکی جسم غوطه‌ور را تشکیل می‌دهد.

در CFX، حل‌گر جسم صلب می‌تواند نیروها و گشتاورهای حاصل از جریان را با معادلات حرکت جسم مرتبط کند و در تحلیل گذرا، وضعیت جدید جسم در مراحل زمانی متوالی محاسبه شود.

تفاوت Immersed Solid با FSI سازه‌ای کلاسیک

عبارت FSI لزوماً به معنای استفاده از Immersed Solid نیست. در یک مسئله FSI کلاسیک، ممکن است تغییر شکل واقعی سازه نیز اهمیت داشته باشد و میدان سیال با یک حل‌گر سازه‌ای مانند ANSYS Mechanical کوپل شود. CFX قابلیت کوپل‌شدن با حل‌گرهای خارجی از طریق System Coupling را نیز دارد.

در مقابل، Immersed Solid عمدتاً برای اجسام صلب مناسب است؛ یعنی شکل جسم در حین حرکت تغییر نمی‌کند. بنابراین اگر هدف، بررسی حرکت یک شناور یا جسم صلب تحت اثر نیروهای سیال باشد، Immersed Solid می‌تواند گزینه مناسبی باشد، اما برای بررسی تغییرشکل الاستیک، پلاستیک یا ارتعاشات سازه‌ای پیچیده باید رویکرد FSI مناسب‌تری انتخاب شود.

نقش مش و منبع مومنتوم

یکی از ویژگی‌های مهم Immersed Solid این است که سطح جسم مانند یک دیواره معمولی به‌صورت مستقیم توسط مش سیال Resolve نمی‌شود. به همین دلیل، کیفیت شبکه اطراف جسم همچنان اهمیت زیادی دارد. شبکه باید به اندازه‌ای مناسب باشد که شکل مرز غوطه‌ور و میدان جریان اطراف آن به‌درستی بازنمایی شود. ANSYS توصیه می‌کند مش سیال اطراف مرز جسم به اندازه کافی ریز باشد تا درون‌یابی میدان جریان در نزدیکی مرز با دقت مناسبی انجام شود.

از طرف دیگر، شدت Momentum Source Scaling Factor بر تعادل میان دقت و پایداری عددی اثر دارد. مقدار بالاتر می‌تواند تطبیق سرعت سیال با سرعت جسم را بهتر کند، اما ممکن است مشکلات همگرایی ایجاد کند؛ بنابراین انتخاب آن بخشی از ملاحظات عددی مدل است.

کاربردهای مهندسی Immersed Solid

روش جسم غوطه‌ور را می‌توان در طیف متنوعی از مسائل مورد استفاده قرار داد؛ از جمله حرکت شناورها، اجسام متحرک در کانال‌ها، اجسام تحت نیروی شناوری، حرکت صلب در جریان‌های داخلی و خارجی و برخی مسائل دینامیک اجسام در سیال.

در چنین مدل‌هایی، خروجی‌های مهم تنها به میدان سرعت و فشار محدود نمی‌شوند. موقعیت جسم، سرعت انتقالی، زاویه چرخش، سرعت زاویه‌ای، نیروهای هیدرودینامیکی و گشتاورها نیز می‌توانند برای تحلیل رفتار دینامیکی مورد بررسی قرار گیرند.

محدودیت‌های روش و اهمیت انتخاب مدل مناسب

Immersed Solid یک روش عمومی برای هر نوع مسئله FSI نیست. برای نمونه، در مستندات ANSYS محدودیت‌هایی برای انتقال حرارت، تغییرشکل مش و برخی حالت‌های جریان چندفازی یا تراکم‌پذیر در تحلیل‌های گذرا ذکر شده است. همچنین سطح جسم مستقیماً توسط مش Resolve نمی‌شود و این موضوع می‌تواند روی دقت پیش‌بینی تنش‌های برشی و برخی نیروهای نزدیک دیواره اثر بگذارد.

بنابراین انتخاب Immersed Solid باید بر اساس نوع حرکت، میزان جابه‌جایی، صلب یا تغییرشکل‌پذیر بودن جسم، ویژگی جریان، نیاز به دقت نزدیک دیواره و نوع اندرکنش سیال و سازه انجام شود. درک این تفاوت‌ها کمک می‌کند روش عددی متناسب با ماهیت واقعی مسئله انتخاب شود.

کلیدواژه ها : روش جسم غوطه ور-Immersed Solid-ANSYS CFX-انسیس سی‌اف‌ایکس-اندرکنش سیال و سازه-Fluid Structure Interaction-FSI-جسم صلب-Rigid Body-دینامیک جسم صلب-Rigid Body Dynamics-حرکت جسم در سیال-Moving Body in Fluid-اجسام غوطه ور-Immersed Bodies-شش درجه آزادی-6 DOF-نیروی هیدرودینامیکی-Hydrodynamic Force-گشتاور هیدرودینامیکی-Hydrodynamic Torque-نیروی شناوری-Buoyancy Force-Momentum Source-منبع مومنتوم-Mesh Motion-حرکت مش-کوپل سیال و سازه-Fluid Structure Coupling-شبیه سازی اجسام متحرک-Moving Body Simulation-شبیه سازی FSI در CFX-تحلیل جسم شناور-Buoyant Body Analysis-دینامیک سیالات محاسباتی-CFD-شبیه سازی دینامیکی ANSYS CFX