در شبیهسازی حرکت اجسام غوطهور، هندسه تنها برای نمایش شکل جسم و فضای اطراف آن استفاده نمیشود؛ بلکه نحوه تعریف دامنه سیال، جسم غوطهور و رابطه فضایی میان آنها مستقیماً بر نحوه محاسبه جریان و حرکت جسم اثر میگذارد. در ANSYS CFX، روش Immersed Solid بهگونهای طراحی شده است که یک دامنه مخصوص جسم صلب درون دامنه سیال قرار گیرد و جسم بتواند در این محیط حرکت کند.
تعریف دامنه سیال در مدل Immersed Solid
اولین بخش مدل هندسی، ایجاد یک Fluid Domain است که فضای واقعی عبور و حرکت سیال را دربر میگیرد. شکل این دامنه باید به اندازهای باشد که میدان جریان در اطراف جسم بدون تأثیر غیرواقعی مرزهای خارجی توسعه پیدا کند.
هندسه دامنه سیال میتواند متناسب با مسئله شامل کانال، مخزن، محفظه، محیط خارجی یا فضای محدود اطراف جسم باشد. در CFX، یک Domain میتواند از یک یا چند ناحیه هندسی سهبعدی تشکیل شود و ماهیت فیزیکی و مشخصات ماده نیز در مرحله تعریف دامنه تعیین میشوند.
ایجاد هندسه جسم غوطهور
جسم متحرک بهعنوان یک Immersed Solid Domain درون دامنه سیال تعریف میشود. این دامنه باید تمام یا بخشی از آن داخل Fluid Domain قرار داشته باشد و نباید با مرزهای سیال، دامنههای جامد دیگر یا Immersed Solidهای دیگر تداخل نامعتبر ایجاد کند. همچنین برای این نوع مدلسازی، ایجاد Domain Interface میان Immersed Solid و Fluid Domain مورد نیاز نیست.
نکته مهم این است که جسم غوطهور از نظر هندسی همان شکل واقعی جسم را نمایندگی میکند، اما رفتار آن مانند یک Solid Domain معمولی با حل انتقال حرارت نیست. هدف اصلی آن مشخصکردن حجم و مرز جسمی است که باید حرکت آن بر میدان سیال اعمال شود.
رابطه هندسی میان جسم و دامنه سیال
در روش Immersed Solid، جسم و سیال از نظر هندسی همپوشانی حجمی دارند. یعنی ناحیهای از شبکه سیال که در محدوده هندسی جسم قرار میگیرد، توسط حلگر شناسایی میشود.
CFX در طول حل، موقعیت Immersed Solid را دنبال کرده و مشخص میکند کدام بخش از شبکه سیال درون جسم قرار گرفته است. سپس با اعمال منبع مومنتوم، سرعت سیال موجود در این ناحیه را به سمت سرعت جسم هدایت میکند؛ در نتیجه جریان در خارج از جسم رفتاری مشابه جریان اطراف یک جسم صلب خواهد داشت.
این مفهوم، تفاوت اساسی Immersed Solid با یک دیواره جامد معمولی است؛ در اینجا لازم نیست سطح جسم بهصورت یک Wall مرزی متحرک در شبکه سیال تعریف شود.
موقعیت اولیه و جهتگیری جسم
موقعیت اولیه جسم باید متناسب با شرایط فیزیکی مسئله انتخاب شود. برای مثال، در تحلیل یک جسم شناور، محل اولیه جسم نسبت به سطح سیال و مرزهای دامنه اهمیت دارد. در یک جسم غوطهور داخل کانال نیز فاصله جسم از دیوارهها میتواند روی میدان جریان و نیروهای هیدرودینامیکی اثر بگذارد.
در CFX میتوان برای Immersed Solid حرکت انتقالی یا چرخشی تعریف کرد. در حالت General Motion، موقعیت مرجع، حرکت مبدأ و چرخش جسم تعیین میشود؛ در حالی که در حالت Rigid Body Solution، حرکت جسم از حل معادلات دینامیکی جسم صلب به دست میآید.
اهمیت مش در اطراف جسم غوطهور
اگرچه در Immersed Solid سطح جسم بهصورت یک دیواره صریح و منطبق با مش سیال Resolve نمیشود، کیفیت مش اطراف جسم همچنان اهمیت زیادی دارد. شبکه سیال نزدیک مرز جسم باید به اندازه کافی ریز باشد تا شکل هندسی و تغییرات میدان جریان اطراف آن بهدرستی بازنمایی شوند.
طبق مستندات ANSYS، مش مرزی خود Immersed Solid باید برای نمایش مناسب شکل جسم وضوح کافی داشته باشد و مش سیال اطراف آن نیز باید برای درونیابی صحیح میدان نزدیک مرز مناسب باشد. ANSYS توصیه میکند در اطراف مرز Immersed Solid تعداد کافی المان سیال وجود داشته باشد تا کیفیت تقریب میدان جریان حفظ شود.
بنابراین در این نوع مدلسازی، تنها ریزکردن مش داخل جسم اهمیت ندارد؛ رزولوشن مرز جسم و مش سیال مجاور آن نقش بسیار مهمتری در کیفیت نتایج دارد.
هندسه برای حرکت جسم صلب
اگر جسم بهصورت یک Rigid Body تعریف شود، هندسه آن میتواند در طول تحلیل جابهجا یا دوران کند، بدون اینکه شکل فیزیکی آن تغییر کند. حرکت جسم میتواند از نیروها و گشتاورهای ناشی از جریان، گرانش و سایر نیروهای خارجی حاصل شود. ANSYS در CFX دو رویکرد اصلی برای مدلسازی جسم صلب معرفی میکند: استفاده از مجموعهای از نواحی و Mesh Motion، یا استفاده از Immersed Solid که حرکت آن از حل معادلات جسم صلب تعیین میشود.
در نتیجه، هنگام طراحی هندسه باید از ابتدا مشخص باشد که هدف، حرکت تحمیلی جسم است یا حرکت دینامیکی ناشی از اندرکنش نیروهای سیال و جسم. این انتخاب روی تعریف Domain Motion و تنظیمات بعدی مدل تأثیر خواهد داشت.
ملاحظات هندسی و محدودیتهای مدل
در طراحی مدل باید از برخورد جسم غوطهور با مرزهای سیال یا سایر اجسام غوطهور جلوگیری شود. همچنین Immersed Solid قابلیت تغییرشکل مش را ندارد و برای جسم صلب تعریف شده است؛ بنابراین اگر هدف بررسی تغییرشکل واقعی سازه باشد، روشهای دیگری مانند FSI سازهای باید مورد بررسی قرار گیرند.
از طرف دیگر، مستندات ANSYS برای تحلیلهای گذرای Immersed Solid محدودیتهایی در تعامل با جریانهای تراکمپذیر و چندفازی ذکر میکنند. بنابراین پیش از انتخاب این روش، باید مشخصات فیزیکی جریان و نوع حرکت جسم با قابلیتهای مدل تطبیق داده شود.
جمعبندی مدل هندسی
مدلسازی هندسی در شبیهسازی Immersed Solid را میتوان بر سه مفهوم اصلی استوار کرد: دامنه مناسب سیال، هندسه دقیق جسم غوطهور و موقعیت صحیح اولیه جسم نسبت به محیط سیال. پس از آن، نحوه حرکت جسم و نوع حل دینامیکی مشخص میکند که جسم با حرکت تحمیلی جابهجا شود یا حرکت آن از نیروها و گشتاورهای سیال به دست آید.
در واقع، یک هندسه مناسب باید علاوه بر بازنمایی دقیق شکل جسم، فضای کافی برای توسعه جریان و شبکهای مناسب در اطراف مرز غوطهور فراهم کند. این موضوع پایهای برای دستیابی به نتایج معتبر در تحلیل نیرو، سرعت، فشار و حرکت جسم در ANSYS CFX است.
کلیدواژه ها : مدل سازی هندسی ANSYS CFX-Geometric Modeling in CFX-دامنه سیال-Fluid Domain-جسم غوطه ور-Immersed Solid-هندسه جسم متحرک-Moving Body Geometry-جسم صلب-Rigid Body-دامنه جسم غوطه ور-Immersed Solid Domain-مدل سازی جسم متحرک-Moving Body Modeling-حرکت جسم در سیال-Body Motion in Fluid-شبکه بندی جسم غوطه ور-Immersed Solid Meshing-مش دامنه سیال-Fluid Domain Mesh-مش اطراف جسم-Mesh Around Body-هندسه سه بعدی-3D Geometry-موقعیت اولیه جسم-Initial Body Position-جهت گیری جسم-Body Orientation-حرکت انتقالی-Translational Motion-حرکت دورانی-Rotational Motion-دینامیک جسم صلب-Rigid Body Dynamics-اندرکنش سیال و جسم-Fluid Body Interaction-شبیه سازی Immersed Solid-Immersed Solid Simulation-ANSYS CFX-انسیس سیافایکس
