در شبیهسازی Immersed Solid، تعریف صحیح رابطه میان جسم و سیال اهمیت زیادی دارد؛ زیرا هدف تنها نمایش یک جسم درون جریان نیست، بلکه باید مشخص شود جسم چگونه حرکت میکند، چه نیروهایی بر آن اثر میگذارند و این حرکت چگونه میدان جریان را تغییر میدهد. در ANSYS CFX، یک Immersed Solid میتواند بهعنوان یک جسم صلب درون دامنه سیال حرکت کند و اثر آن بر جریان از طریق اعمال منبع مومنتوم در ناحیه همپوشان با جسم مدل میشود.
تعریف اندرکنش جسم و سیال
اندرکنش جسم و سیال در این نوع شبیهسازی یک فرآیند دوطرفه است. از یک طرف، جریان سیال باعث ایجاد نیروهایی مانند Drag، Lift و Buoyancy و همچنین گشتاورهای هیدرودینامیکی روی جسم میشود؛ از طرف دیگر، حرکت جسم موجب تغییر میدان سرعت و فشار اطراف آن خواهد شد.
در روش Immersed Solid، CFX با اعمال منبع مومنتوم، سرعت سیال در حجم اشغالشده توسط جسم را به سمت سرعت جسم هدایت میکند. بنابراین جریان خارج از جسم رفتاری مشابه جریان اطراف یک جسم صلب واقعی خواهد داشت.
این مفهوم، پایه اصلی ارتباط میان Fluid Dynamics و Rigid Body Dynamics در مدلسازی جسم غوطهور است.
انتخاب نوع حرکت جسم
یکی از بخشهای مهم تعریف مدل، تعیین Domain Motion است. برای Immersed Solid گزینههایی مانند حرکت با سرعت مشخص، جابهجایی مشخص، حرکت عمومی و حل دینامیکی جسم صلب در دسترس هستند. این گزینهها مشخص میکنند که موقعیت جسم در طول زمان چگونه تعیین شود.
برای مثال، اگر حرکت جسم از قبل مشخص باشد، میتوان سرعت یا جابهجایی آن را بهصورت تابعی از زمان تعریف کرد. اما اگر هدف بررسی حرکت آزاد جسم تحت تأثیر نیروهای سیال باشد، گزینه Rigid Body Solution اهمیت پیدا میکند. در این حالت، حرکت از حل معادلات جسم صلب به دست میآید.
دامنه حرکتی و درجات آزادی
در مدل دینامیکی، جسم میتواند دارای حرکت انتقالی، دورانی یا ترکیبی از هر دو باشد. CFX در حالت Rigid Body Solution امکان تعریف جرم، ممان اینرسی، نیروها و گشتاورهای خارجی، گرانش و درجات آزادی انتقالی و دورانی را فراهم میکند.
به این ترتیب میتوان مشخص کرد جسم در کدام راستاها آزاد باشد و در کدام راستاها حرکت آن محدود شود. برای نمونه، در یک جسم شناور ممکن است حرکت عمودی آزاد باشد، اما حرکت افقی یا چرخش حول برخی محورها محدود شود.
این موضوع بهخصوص زمانی اهمیت دارد که مدل هندسی دارای قیود مکانیکی باشد؛ زیرا فعالکردن تمام درجات آزادی بدون توجه به شرایط واقعی سیستم میتواند حرکت غیرواقعی ایجاد کند.
نیروها، گشتاورها و گرانش
در یک جسم غوطهور، حرکت جسم معمولاً حاصل برآیند چند اثر است. نیروهای ناشی از فشار و اصطکاک سیال، نیروی شناوری، وزن جسم و نیروها یا گشتاورهای خارجی میتوانند بهطور همزمان در معادلات حرکت وارد شوند.
در مدل Rigid Body Solution، CFX این پارامترها را در چارچوب دینامیکی جسم در نظر میگیرد و حرکت حاصل را به وضعیت جدید Immersed Solid منتقل میکند. بنابراین مشخصات فیزیکی مانند جرم و ممان اینرسی باید با جسم واقعی سازگار باشند.
تعریف شرایط مرزی دامنه سیال
شرایط مرزی دامنه سیال باید مستقل از حرکت جسم، بیانگر محیط واقعی جریان باشند. بسته به مسئله میتوان مرزهایی مانند Inlet، Outlet، Wall و Symmetry را تعریف کرد و مشخصات سرعت، فشار، دبی یا سایر کمیتهای لازم را به آنها اختصاص داد.
نکته مهم این است که Immersed Solid نباید از مرزهای دامنه سیال عبور کند یا با دامنههای جامد و Immersed Solidهای دیگر برخورد نامعتبر داشته باشد. همچنین برای ارتباط Immersed Solid با Fluid Domain نیازی به ایجاد Domain Interface معمولی وجود ندارد.
بنابراین طراحی شرایط مرزی باید با محدوده حرکتی احتمالی جسم هماهنگ باشد؛ یعنی فضای کافی برای حرکت جسم و توسعه میدان جریان در طول تحلیل وجود داشته باشد.
مدلسازی حرکت تحمیلی و حرکت آزاد
از دیدگاه فیزیکی، تفاوت مهمی میان Prescribed Motion و Fluid-Driven Motion وجود دارد. در حرکت تحمیلی، مسیر یا سرعت جسم از قبل مشخص است و CFX میدان جریان را بر اساس آن حرکت محاسبه میکند.
در مقابل، در حرکت آزاد، نیروها و گشتاورهای حاصل از جریان در تعیین وضعیت بعدی جسم نقش دارند. در این حالت، حل جریان و معادلات حرکت جسم به یکدیگر وابستهاند و در تحلیل گذرا، CFX میتواند نیرو، گشتاور و وضعیت جسم را در هر گام زمانی بهصورت کوپلشده محاسبه کند.
این تفاوت، انتخاب نوع Domain Motion را به یکی از تصمیمهای اصلی در طراحی مدل تبدیل میکند.
نقش Momentum Source و اندرکنش عددی
در Immersed Solid، اندرکنش جسم و سیال از طریق یک مرز جامد معمولی که مستقیماً با مش سیال منطبق باشد انجام نمیشود. CFX با استفاده از Momentum Source سرعت سیال داخل حجم جسم را به سرعت جسم نزدیک میکند.
شدت این منبع با Momentum Source Scaling Factor کنترل میشود. مقدار پیشفرض این ضریب در CFX برابر 10 است و معمولاً مقدار مناسبی محسوب میشود؛ کاهش آن میتواند پایداری را بهتر کند، اما ممکن است اختلاف میان سرعت سیال و سرعت جسم را افزایش دهد و در نتیجه دقت مدل کاهش پیدا کند.
همچنین در صورت نیاز میتوان از Modified Forcing برای بهبود نمایش اثرات مرزی نزدیک سطح Immersed Solid استفاده کرد.
اهمیت شرایط مرزی در تحلیل دینامیکی
در یک تحلیل گذرا، شرایط مرزی فقط تعیینکننده میدان جریان اولیه نیستند؛ بلکه در تمام طول زمان بر نیروهای واردشده به جسم اثر میگذارند. برای مثال، تغییر سرعت ورودی میتواند نیروی درگ را تغییر دهد و این تغییر نیرو به نوبه خود موجب تغییر حرکت جسم شود.
بنابراین برای دستیابی به یک مدل معتبر، باید میان هندسه، شبکه، شرایط مرزی، مشخصات جسم، درجات آزادی و نوع حرکت سازگاری وجود داشته باشد. بهویژه در مسائل با کوپل قوی، کنترل همگرایی جریان و حل جسم صلب در هر گام زمانی اهمیت پیدا میکند. ANSYS برای حلهای کوپلشده، همگرایی میدان جریان و همچنین نیرو، گشتاور و اطلاعات حرکت جسم را در فرآیند حل در نظر میگیرد.
جمعبندی
مدلسازی Immersed Solid در ANSYS CFX زمانی معنا پیدا میکند که هندسه جسم، دامنه سیال، نوع حرکت و اندرکنش نیروها بهصورت یک سیستم یکپارچه تعریف شوند. انتخاب میان حرکت مشخص و Rigid Body Solution، تعیین درجات آزادی، اعمال گرانش و نیروهای خارجی و تعریف صحیح شرایط مرزی، همگی بر رفتار نهایی جسم و میدان جریان تأثیرگذار هستند.
در نهایت، کیفیت یک شبیهسازی جسم غوطهور فقط به حرکت ظاهری جسم محدود نمیشود؛ بلکه باید بتوان ارتباط منطقی میان میدان فشار و سرعت، نیروهای هیدرودینامیکی، حرکت جسم و تغییرات زمانی سیستم را مشاهده و تفسیر کرد.
کلیدواژه ها : اندرکنش جسم و سیال-Fluid Body Interaction-اندرکنش سیال و سازه-Fluid Structure Interaction-FSI-Immersed Solid-جسم غوطه ور-ANSYS CFX-انسیس سیافایکس-Rigid Body-جسم صلب-Rigid Body Dynamics-دامنه حرکتی-Domain Motion-حرکت جسم در سیال-Body Motion in Fluid-حرکت تحمیلی-Prescribed Motion-حرکت آزاد-Free Body Motion-Rigid Body Solution-شش درجه آزادی-6 DOF-درجات آزادی حرکتی-Degrees of Freedom-نیروی هیدرودینامیکی-Hydrodynamic Force-گشتاور هیدرودینامیکی-Hydrodynamic Torque-نیروی شناوری-Buoyancy Force-شرایط مرزی جریان-Boundary Conditions-Momentum Source-منبع مومنتوم-Momentum Source Scaling Factor-Modified Forcing-شبیه سازی جسم متحرک-Moving Body Simulation-دینامیک جسم غوطه ور-Immersed Body Dynamics-شبیه سازی دینامیکی CFX-Transient CFX Simulation-کوپل جریان و حرکت-Flow Motion Coupling-مدل سازی جسم صلب-Rigid Body Modeling-Fluid Solid Interaction-ANSYS CFX Immersed Solid
