شبیه‌سازی جریان‌های چندفازی و تخلیه سیفون در ANSYS CFX

پس از آماده‌سازی هندسه و شبکه سیفون، مرحله بعدی تعریف مدل چندفازی (Multiphase Model) و نحوه انتقال آب و هوا در دامنه محاسباتی است. در شبیه‌سازی تخلیه سیفون، برخلاف یک جریان تک‌فازی، باید هم‌زمان حرکت آب، حضور هوا، جابه‌جایی سطح آزاد و اثر گرانش در طول زمان محاسبه شود.

در ANSYS CFX، مدل Free Surface برای شرایطی طراحی شده است که بین دو سیال یک سطح مشترک مشخص وجود دارد. همچنین CFX امکان استفاده از مدل‌های Homogeneous و Inhomogeneous را برای جریان‌های چندفازی فراهم می‌کند.

انتخاب مدل چندفازی مناسب برای سیفون

برای تخلیه یک مخزن توسط سیفون، در حالت معمول دو فاز اصلی داریم:

• آب به‌عنوان فاز مایع
• هوا به‌عنوان فاز گاز

اگر آب و هوا در طول شبیه‌سازی عمدتاً به‌صورت دو ناحیه جدا از یکدیگر باقی بمانند، Homogeneous Free Surface Model معمولاً انتخاب مناسبی برای شروع مدل‌سازی است.

در مدل Homogeneous، فازها میدان سرعت مشترکی دارند؛ در حالی که در مدل Inhomogeneous، هر فاز می‌تواند میدان سرعت و سایر میدان‌های مخصوص خود را داشته باشد. راهنمای CFX نیز توصیه می‌کند برای جریان Free Surface در صورت امکان از مدل Homogeneous استفاده شود و در شرایطی که اختلاط یا Entrained Phase اهمیت پیدا می‌کند، مدل Inhomogeneous بررسی شود.

فعال‌سازی مدل Free Surface در CFX-Pre

در CFX-Pre، تنظیمات چندفازی در بخش Domain > Fluid Models > Multiphase Options قرار دارند.

در این بخش می‌توان گزینه‌های مربوط به:

Homogeneous Model

و

Free Surface Model

را تنظیم کرد.

گزینه Free Surface زمانی مناسب است که Interface بین فازها دارای مرز مشخص باشد. در مدل تخلیه سیفون، این Interface همان مرز متحرک بین آب و هوا در مخزن و مسیر سیفون است.

بنابراین ساختار مفهومی مدل را می‌توان به صورت زیر در نظر گرفت:

Water + Air → Multiphase Domain → Free Surface → Transient Flow

تعریف فازهای آب و هوا

در مرحله تعریف Multiphase، باید مواد مربوط به دو فاز مشخص شوند.

برای نمونه:

Phase 1: Water

Phase 2: Air

برای هر ماده، خواص فیزیکی مانند چگالی، ویسکوزیته و در صورت نیاز خواص حرارتی تعریف می‌شوند.

اختلاف چگالی آب و هوا نقش مهمی در مسئله دارد، زیرا میدان فشار هیدروستاتیک و نیروهای شناوری تحت تأثیر این اختلاف قرار می‌گیرند.

تعریف Volume Fraction

یکی از مهم‌ترین متغیرهای مدل چندفازی، Volume Fraction است.

Volume Fraction مشخص می‌کند چه سهمی از حجم هر سلول به یک فاز اختصاص دارد. برای دو فاز آب و هوا، در حالت ایده‌آل می‌توان مفهوم زیر را در نظر گرفت:

Water Volume Fraction + Air Volume Fraction = 1

در نتیجه، اگر در یک ناحیه Volume Fraction آب تقریباً یک باشد، آن ناحیه عمدتاً با آب پر شده است؛ اگر مقدار آن نزدیک صفر باشد، ناحیه عمدتاً هوا خواهد بود.

این متغیر اساس تشخیص سطح آزاد در نتایج CFD-Post نیز محسوب می‌شود.

تعریف سطح آزاد اولیه

سطح آب در لحظه شروع شبیه‌سازی باید مشخص شود. فرض کنید ارتفاع اولیه آب در مخزن برابر H₀ باشد.

در این حالت، ناحیه پایین‌تر از H₀ باید با آب و ناحیه بالاتر با هوا مقداردهی اولیه شود.

این کار در CFX معمولاً با استفاده از توزیع اولیه Volume Fraction بر اساس موقعیت هندسی انجام می‌شود. در مدل‌های Free Surface، تعریف مناسب Initial Conditions اهمیت زیادی دارد، زیرا Solver باید از یک وضعیت اولیه فیزیکی سازگار شروع کند.

بنابراین سطح اولیه آب نباید صرفاً به‌صورت یک مرز ثابت در نظر گرفته شود؛ بلکه باید به‌عنوان Initial Phase Distribution تعریف شود.

نقش گرانش در تخلیه سیفون

تخلیه سیفون به‌شدت به نیروی گرانش وابسته است. بنابراین تعریف Buoyancy/Gravity بخش اساسی مدل است.

اگر محور عمودی هندسه مثلاً محور Y باشد، جهت گرانش باید در راستای منفی Y قرار گیرد.

گرانش باعث ایجاد توزیع فشار هیدروستاتیک در مخزن و لوله می‌شود و اختلاف ارتفاع آب و خروجی را به نیروی محرک جریان تبدیل می‌کند.

در واقع در این مسئله، بدون تعریف صحیح گرانش، مدل قادر به بازتولید مکانیزم اصلی تخلیه سیفون نخواهد بود.

انتقال Volume Fraction

در یک مدل Free Surface، Solver باید حرکت فازها و تغییر موقعیت Interface را در طول زمان دنبال کند.

در CFX، مدل Free Surface تلاش می‌کند Interface بین سیالات را به‌صورت مشخص حل کند و برای انتقال Volume Fraction از روش‌های ویژه‌ای استفاده می‌شود.

یکی از تنظیمات مهم در این زمینه Interface Compression Level است که بر نحوه انتقال Volume Fraction و Sharpness سطح مشترک تأثیر می‌گذارد.

در CFX سه سطح اصلی برای این پارامتر وجود دارد:

• 0: بدون فشرده‌سازی ویژه
• 1: فشرده‌سازی متوسط
• 2: فشرده‌سازی شدید

مقدار 2 به‌عنوان مقدار پیش‌فرض معرفی شده است.

هدف از این تنظیم، جلوگیری از پخش‌شدن بیش از حد Interface آب و هوا در سلول‌های مجاور است.

انتقال سیال در داخل لوله سیفون

در طول تخلیه، آب از مخزن وارد لوله شده، در بخش بالارونده حرکت می‌کند، از قسمت Crown عبور می‌کند و سپس در بخش پایین‌رونده به سمت خروجی حرکت می‌کند.

در نتیجه Volume Fraction آب در نقاط مختلف دامنه با زمان تغییر می‌کند.

این تغییرات باید به‌صورت Transient Multiphase Flow حل شوند؛ زیرا موقعیت سطح آب، دبی و میدان فشار ثابت نیستند.

به همین دلیل، استفاده از یک حل Steady-State برای نمایش کامل فرآیند تخلیه سیفون معمولاً مناسب نیست.

مدل Homogeneous یا Inhomogeneous؟

انتخاب بین این دو مدل باید بر اساس رفتار فیزیکی مورد انتظار انجام شود.

مدل Homogeneous

این مدل برای حالتی مناسب است که Interface بین آب و هوا مشخص باشد و فازها عمدتاً به‌صورت جداشده حرکت کنند.

برای مثال، یک مخزن آب که از طریق سیفون تخلیه می‌شود و سطح آب نسبتاً مشخصی دارد، می‌تواند با این رویکرد مدل شود.

مدل Inhomogeneous

در صورتی که در طول تخلیه، هوا وارد جریان آب شود، حباب‌ها ایجاد شوند یا یک فاز در فاز دیگر به‌شدت پراکنده شود، مدل Inhomogeneous می‌تواند اهمیت بیشتری پیدا کند.

راهنمای CFX نیز بیان می‌کند که مدل Inhomogeneous زمانی می‌تواند ضروری باشد که Entrainment یک فاز در فاز دیگر رخ دهد و لازم باشد فازها دوباره از یکدیگر جدا شوند.

بنابراین برای یک مدل آموزشی پایه سیفون، بهتر است ابتدا با Homogeneous Free Surface شروع شود و در صورت مشاهده پدیده‌های اختلاط یا Entrained Air، مدل پیچیده‌تر بررسی شود.

تعریف انتقال جرم بین فازها

در یک تخلیه معمولی آب و هوا، هدف اصلی دنبال‌کردن سطح آزاد است و الزاماً انتقال جرم واقعی بین دو فاز وجود ندارد.

به همین دلیل، در مدل Homogeneous چندفازی که انتقال بین‌فازی خاصی تعریف نشده باشد، مدل انتقال جرم بین فازها می‌تواند None باشد. راهنمای CFX نیز برای جریان Homogeneous بدون Interphase Transfer، گزینه None را به‌عنوان انتخاب ممکن معرفی می‌کند.

البته اگر مسئله شامل تبخیر، میعان یا انتقال جرم واقعی باشد، این فرض دیگر کافی نخواهد بود.

تعریف Momentum Transfer

در مدل‌های چندفازی، CFX امکان تعریف نیروهای انتقال مومنتوم بین فازها را فراهم می‌کند؛ از جمله Drag، Lift، Virtual Mass، Wall Lubrication و Turbulent Dispersion.

اما برای یک مدل Homogeneous Free Surface ساده، نباید این مدل‌ها بدون نیاز فیزیکی فعال شوند.

در CFX، Drag Force در مدل Homogeneous فعال نیست، زیرا فازها میدان سرعت مشترک دارند.

بنابراین در مدل پایه تخلیه سیفون، تمرکز اصلی باید روی Free Surface، گرانش، Volume Fraction و انتقال گذرای جریان باشد.

تنظیم شرایط مرزی برای انتقال سیال

پس از تعریف مدل چندفازی، Boundary Conditionها باید با ساختار فیزیکی سیفون هماهنگ شوند.

برای مثال:

Siphon Wall → Wall

Tank Wall → Wall

Outlet → Opening/Pressure Boundary

و سطح باز مخزن، بسته به هندسه مدل، می‌تواند به‌صورت مناسب برای ورود و خروج هوا تعریف شود.

در خروجی، نوع Boundary باید اجازه خروج جریان را مطابق شرایط فیزیکی واقعی فراهم کند. انتخاب نادرست Boundary می‌تواند باعث ایجاد بازتاب فشار یا محدودشدن غیرواقعی تخلیه شود.

اهمیت Initial Conditions در مدل سیفون

Initial Conditions در این مسئله اهمیت بیشتری از یک جریان معمولی دارند، زیرا باید وضعیت واقعی مخزن در لحظه شروع را بازسازی کنند.

یک حالت اولیه معمول می‌تواند شامل:

• مخزن دارای آب تا ارتفاع مشخص
• فضای بالای آب پر از هوا
• لوله سیفون پر از آب یا دارای توزیع اولیه مشخص
• فشار اولیه سازگار با میدان هیدروستاتیک
• سرعت اولیه مناسب

باشد.

به‌خصوص وضعیت اولیه داخل لوله سیفون اهمیت زیادی دارد؛ زیرا اگر هدف شبیه‌سازی Priming و آغاز عملکرد سیفون باشد، باید فرآیند ورود آب به لوله نیز در مدل لحاظ شود. اما اگر سیفون از قبل Prime شده باشد، می‌توان فرآیند را از وضعیت پر از آب لوله آغاز کرد.

تنظیم تحلیل Transient

از آنجا که سطح آب و میدان جریان در طول زمان تغییر می‌کنند، حل باید به‌صورت Transient انجام شود.

انتخاب Time Step باید با مقیاس زمانی جریان و اندازه سلول‌های شبکه سازگار باشد. در مدل‌های Free Surface، ANSYS نیز بر اهمیت انتخاب مناسب Time Step و در نظر گرفتن مقیاس سرعت جریان و طول مشخصه تأکید می‌کند.

Time Step بسیار بزرگ می‌تواند باعث شود حرکت Interface به‌صورت ناپایدار یا بیش از حد پخش‌شده محاسبه شود؛ در حالی که Time Step بسیار کوچک، هزینه محاسباتی را افزایش می‌دهد.

کنترل همگرایی در جریان چندفازی

همگرایی در یک شبیه‌سازی چندفازی فقط با بررسی Residualها ارزیابی نمی‌شود.

برای مدل سیفون بهتر است هم‌زمان متغیرهایی مانند:

• دبی خروجی
• ارتفاع سطح آب
• Volume Fraction
• فشار در نقاط حساس
• سرعت خروجی

نیز Monitor شوند.

اگر این کمیت‌ها در طول زمان رفتار غیرمنطقی داشته باشند، ممکن است مشکل از Mesh، Time Step، Initial Conditions یا تنظیمات مدل چندفازی باشد.

ارزیابی انتقال سطح آب

یکی از مهم‌ترین معیارهای موفقیت مدل، توانایی آن در پیش‌بینی کاهش سطح آب مخزن با زمان است.

در CFD-Post می‌توان با استفاده از Volume Fraction، موقعیت تقریبی Interface را بررسی کرد و در چند زمان مختلف وضعیت سطح آب را مقایسه نمود.

برای مثال:

t₁ → سطح آب اولیه

t₂ → شروع تخلیه

t₃ → کاهش قابل توجه سطح آب

t₄ → نزدیک‌شدن به پایان تخلیه

این روش تصویر مناسبی از عملکرد مدل گذرا ارائه می‌دهد.

بررسی انتقال سیال در مسیر سیفون

علاوه بر سطح آب، باید حرکت آب در طول مسیر سیفون نیز بررسی شود.

مناسب است موارد زیر در زمان‌های مختلف تحلیل شوند:

• Velocity Contour
• Velocity Vector
• Streamline
• Water Volume Fraction
• Air Volume Fraction
• Pressure Distribution

ترکیب این نتایج امکان تشخیص پدیده‌هایی مانند افت فشار، نواحی بازگشت جریان و ورود هوا به سیفون را فراهم می‌کند.

یک تنظیم پایه پیشنهادی

برای یک مدل آموزشی تخلیه سیفون می‌توان ساختار کلی زیر را در نظر گرفت:

این تنظیمات یک نقطه شروع آموزشی هستند و برای یک مدل واقعی باید بر اساس هندسه، شرایط عملیاتی و رفتار مشاهده‌شده جریان اصلاح شوند.

جمع‌بندی

تنظیم مدل چندفازی در شبیه‌سازی تخلیه سیفون، ارتباط مستقیمی میان هندسه، Mesh، Volume Fraction، Free Surface، گرانش و حل گذرا ایجاد می‌کند. برای یک سیفون معمولی با سطح آزاد مشخص، مدل Homogeneous Free Surface می‌تواند نقطه شروع مناسبی باشد. در صورت ایجاد اختلاط شدید یا Entrained Air، باید استفاده از مدل Inhomogeneous بررسی شود.

مهم‌ترین نکته این است که سطح آب نباید به‌عنوان یک مرز ثابت در نظر گرفته شود؛ بلکه باید به‌عنوان یک Interface متحرک که توسط Volume Fraction دنبال می‌شود، مدل شود. در نتیجه، تعریف صحیح Initial Conditions، Gravity، Interface Compression و Time Step برای دستیابی به یک شبیه‌سازی پایدار و قابل اعتماد اهمیت زیادی دارد.

کلیدواژه ها : مدل چندفازی در ANSYS CFX-تنظیم مدل چندفازی CFX-Multiphase Model-جریان چندفازی در انسیس سی‌اف‌ایکس-Multiphase Flow-مدل سطح آزاد-Free Surface Model-شبیه سازی سطح آزاد-Free Surface Simulation-مدل Homogeneous-Homogeneous Multiphase Model-مدل Inhomogeneous-Inhomogeneous Multiphase Model-سطح مشترک آب و هوا-Water Air Interface-کسر حجمی-Volume Fraction-انتقال سیال-Fluid Transport-انتقال Volume Fraction-Volume Fraction Transport-مدل سازی آب و هوا-Water Air Modeling-تخلیه سیفون-Siphon Drainage-شبیه سازی سیفون-Siphon Simulation-جریان سیفون-Siphon Flow-گرانش در CFX-Gravity in CFX-شرایط اولیه جریان چندفازی-Multiphase Initial Conditions-تحلیل گذرا در CFX-Transient Analysis in CFX-Interface Compression-فشرده سازی سطح مشترک-انتقال بین فازی-Interphase Transfer-Momentum Transfer-انتقال مومنتوم بین فازها-Priming سیفون-Siphon Priming-مدل سازی جریان آب و هوا-Water Air Flow Modeling-شبیه سازی CFD سیفون-