جریان هوای گذرنده از Airfoil
پس از آشنایی با ANSYSFluent، قصد داریم با حل یک مسئله ساده جریان گذرنده از Airfoil، به درک بهتری از روند کار در نرم افزار برسیم.
تعریف Airfoil
به مقطعی از یک جسم که جریان از آن می گذرد، Airfoil می گویند.
اجزای یک ایرفویل
جریان گذرنده از ایرفویل
این مقاطع، استاندارد معروفی به نام NACA Advisory Committee for Aeronautics دارند. برای مدل سازی می توان از این استانداردها کمک گرفت.
مدل سازی
در این مقاله مدل سازی را توسط یک نرم افزار مدل سازی دیگر انجام می دهیم. برای مثال از Solidworks استفاده می کنیم تا با نحوه ی فراخوانی مدل به انسیس آشنا شویم. در مثال های بعد از DesignModeler یا SpaceClaim برای مدل سازی نیز استفاده می کنیم.
ابتدا سطح مقطع را در صفحه xy رسم می کنیم. (وتر= ۱۸۰۰ میلی متر)
سپس توسط دستور Extrude به سطح مقطع مورد نظر به اندازه ی ۱۰۰۰ میلی متر حجم می دهیم.
حال باید یک خروجی مناسب از این مدل بگیریم تا در نرم افزار انسیس مشکل فراخوانی رخ ندهد. از قبیل پسوندهای خروجی عبارتند از:
نسخه های جدید انسیس قابلیت فراخوانی تمامی مدل ها با پسوندهای متفاوت را دارند. در صورت بروز مشکل، پسوند Parasolid *.x_t بهترین گزینه برای خروجی گرفتن است.
اکنون AnsysWorkbench را راه اندازی می کنیم. از میان حل گرها، Fluid Flow Fluent را انتخاب می کنیم تا در صفحه Project Schematic نمایان شود.
برای فراخوانی مدل ترسیم شده بدین ترتیب پیش می رویم:
Right click Geometry → Import Geometry → Browse
در مسیر ذخیره شده مدل را بر می گزینیم.
تیک سبز در کنار Geometry نمایان می شود. همان طور که گفته شد، برای حل مسائل، باید فیزیک مسئله را بررسی کنیم. برای این مسئله می خواهیم یک جریان سیال شبیه سازی کنیم که از جسم می گذرد. پس یک جسم جامد با جنس مشخص و یک فضا برای جریان سیال نیاز داریم. جسم جامد ما Airfoil است. برای ایجاد فضایی که جریان وجود دارد، در محیط DesignModeler از دستور Enclosure در سربرگ Tools استفاده می کنیم.
با کلیک روی این ابزار پرکاربرد، مشخصات این دستور در Detail View نمایان می شود.
قسمت اول طبق معمول مربوط به نام دستور است. در قسمت Shape شکل فضا از قبیل مکعب، استوانه و کره مشخص می شود. یک گزینه دیگر به نام User Defined وجود دارد که به صورت دل خواه کاربر مشخص می شود. در این مثال شکل Box یعنی مکعبی مورد نیاز است.
در قسمت Number Of Planes صفحه یا صفحاتی را انتخاب می کنیم. این کار برای شرایطی که مدل متقارن است و می خواهیم زمان حل کاهش یابد، کاربرد دارد. در این مسئله نیازی به این کار نیست.
قسمت Cushion مربوط به تعیین نوع اندازه گذاری ابعاد فضاست. با انتخاب Non-Uniform می توان برای تمامی جهات تعیین ابعاد را انجام داد. اما با انتخاب Uniform با یک عدد برای تمامی جهات به یک مقدار، تعیین ابعاد انجام می شود. با انتخاب Uniform و اندازه ۵ متر و سپس کلیک روی Generate این دستور انجام می شود.
برای جداسازی فضا از مدل، از دستور Boolean استفاده می کنیم.
قسمت Operation نوع عمل انتخاب می شود که در این جا Subtract یعنی جداسازی است. در قسمت Target فضای جریان و در قسمت Tool مدل ایرفویل انتخاب می شود. قسمت آخر برای نمایان بودن Tool است که در این مسئله باید yes باشد تا در نمایش مدل در پایان حل از آن برای نمایش کانتورها و… استفاده کنیم.
در Tree Outline دو قسمت برای مدل مشاهده می شود. سعی شود تا برای همه آن ها نامی انتخاب شود تا کارهای آینده راحت تر انجام شود. برای این کار روی هر قسمت کلیک راست کرده و گزینه ی Rename را انتخاب می کنیم.
با کلیک روی Airfoil جنس را در قسمت Fluid/Solid، Solid و برای Domain، Fluid انتخاب می کنیم.
شبکه بندی
محیط DesignModeler را می بندیم و وارد محیط Mesh می شویم. با توجه به نوع مسئله، جریانی که از سطح انحنای Airfoil می گذرد مهم تر است. پس شبکه بندی سطح انحنای Airfoil را باید مناسب تر از دو طرف مقابل ایجاد کنیم.
دقت اتصال شبکه در قسمت Relevance را روی ۱۰۰ قرار داده و با گزینه Generate شبکه بندی را به پایان می رسانیم.
برای مشاهده ی شبکه بندی Airfoil طبق گفته های قبل، از قسمت Geometry محیط (Domain) را Hidden می کنیم.
همان طور که مشاهده می شود، سطح انحنای Airfoil مربعی شبکه بندی شده و مناسب است.
اکنون باید ورودی و خروجی جریان را نام گذاری کنیم تا در حل گر به راحتی شرایط مرزی را تعیین کنیم. Inlet را برای ورودی و Outlet را برای خروجی نام گذاری می کنیم.
برای این کار ابتدا با کلیک روی انتخاب صفحه (با رنگ زرد مشخص شده است)، صفحه مورد نظر جریان را مشخص می کنیم.
سپس با کلیک راست روی صفحه و انتخاب Create Name Selection نام گذاری را انجام می دهیم. برای صفحه رو به روی لبه ی حمله، Inlet است که به منظور ورودی جریان است و برای صفحه ی رو به روی لبه ی فرار، Outlet انتخاب می شود. برای مدل Airfoil نیز نام Airfoil wall انتخاب شود.
از محیط Mesh خارج می شویم و در Workbench اگر تیک سبز نمایان نبود، با کلیک راست بر Mesh و انتخاب Update تیک سبز نمایان می شود و می توانیم به مرحله بعد یعنی حل برویم.
Setup مسئله
با کلیک روی Setup صفحه ی ابتدایی حل گر fluent راه اندازی می شود. در این پنجره چگونگی حل از قبیل سه بعدی یا دو بعدی بودن شبیه سازی تعیین می شود. در این مثال حل سه بعدی به طور پیش فرض انتخاب شده است.
در قسمت Processing Option با انتخاب گزینه ی Parallel تعداد هسته ها را برای حل مشخص می کنیم.
با کلیک روی گزینه OK وارد محیط ANSYSFluent می شویم. در قسمت گرافیکی نرم افزار مدل شبکه بندی شده نمایان می شود.
دو قسمت رنگی وجود دارد که به دلیل نام گذاری ایجاد شده اند. رنگ قرمز به عنوان Outlet و رنگ آبی Inlet هستند.
حال می خواهیم به نحوه ی ساختار حل بپردازیم. توجه داشته باشید که این مقاله برای درک بهتر نرم افزار و فضای حل مسائل سیالاتی است. جزئیات حتما در آینده به طور کامل شرح داده می شود.
در قسمت Mesh می توان جزئیات شبکه بندی را مشاهده کرد. هم چنین می توان به تغییرات جزئی پرداخت که در این مثال نیازی نیست. در قسمت Solver نوع حل گر را بر پایه ی فشار (Pressure based) و سرعت را مطلق (Absolute) انتخاب می کنیم. نوع جریان نیز پایا (Steady) انتخاب شود.
مدل فیزیکی مسئله
ابتدا باید مسئله را درک کنیم و بدانیم به چه فیزیکی برای حل نیاز داریم. در این مسئله فقط می خواهیم یک جریان از سطح یک جسم شبیه سازی کنیم. پس فقط یک مدل جریان می خواهیم و به مدل های انتقال حرارت و احتراق و… نیاز نداریم.
روی قسمت Viscous Model دو بار کلیک می کنیم و مدل K-epsilon را انتخاب می کنیم. این یک مدل جریان مغشوش (Turbulence) است. جزئیات را تغییر نمی دهیم.
تعیین مواد
چون جریان گذرنده هوا (Air) است، هوا را که به طور پیش فرض انتخاب شده است، بر می گزینیم.
تعیین شرایط مرزی
در این مسئله دو شرط ورودی و خروجی داریم. نام گذاری که در قسمت Mesh انجام شده است، در این قسمت فایده زیادی دارد. با دو بار کلیک روی Boundary conditions در فضای Task Page جزئیات نمایش داده می شوند.
برای وارد کردن شرط مرزی ورودی جریان مسئله، ابتدا ناحیه Inlet را انتخاب و سپس نوع شرط را در قسمت Type در پایین فضای Task Page سرعت ورودی (Velocity-inlet) انتخاب می کنیم.
اندازه ی سرعت را در قسمت Velocity Magnitude عدد ۶ وارد می کنیم. دقت کنید که واحد آن m/s باشد. دیگر جزئیات نیازی به تغییر ندارند. حال شرط خروجی را تعیین می کنیم.
Outlet را انتخاب می کنیم و شرط Pressure-outlet را بر می گزینیم. این قسمت را بدون تغییر ایجاد می کنیم.
حل مسئله
در سربرگ Solution به تعیین شرایط حل می پردازیم. ابتدا باید یک مقدار اولیه برای شروع حل تعیین کنیم. این کار در قسمت Initialization انجام می شود. ابتدا نوع Standard را انتخاب می کنیم. در قسمت Compute from ورودی یعنی Velocity-inlet را انتخاب می کنیم. با کلیک روی Initialize این کار به سرانجام می رسد.
در پایان به قسمت Run می رسیم. با کلیک روی Run Calculation جزئیات را در Task Page مشاهده می کنیم. به طور معمول برای حل مسائل پایا تعداد تکرار حل را ۱۰۰۰ انتخاب می کنند. پس در قسمت Number of iteration تعداد ۱۰۰۰ را وارد می کنیم.
در پایان برای شروع حل، Calculate را کلیک می کنیم و منتظر می مانیم تا تمام مراحل حل انجام شود. در پایین پنجره Task page قسمتی به نام console وجود دارد که مقادیر هر تکرار را می توان مشاهده کرد.
در این مسئله پس از ۵۶ تکرار مشاهده می کنیم که مقادیر همگرا شده اند و حل به اتمام رسیده است. نمودار های مربوط به نیروی Drag و… را مشاهده می کنیم.
حل در اینجا به اتمام رسیده است. برای مثال می خواهیم Contour سرعت جریان از ورودی را به صورت گرافیکی نمایش دهیم. در این مطلب برای اینکه تمام قسمت های حل یک مسئله روشن شود، از نرم افزار Fluent خارج می شویم و در نمودار صفحه ی Workbench وارد Results می شویم.
برای مشاهده هر یک از اجزا در سربرگ Cases با روشن کردن تیک هر یک از نام ها، قسمت های مدل نمایش داده می شوند.
در این مسئله می خواهیم Contour سرعت را روی کل Airfoil نمایش دهیم. در سربرگ های بالا Contour را انتخاب می کنیم.
در قسمت variable نوع Contour مشخص می شود که در این مسئله سرعت (Velocity) است. برای بالا بردن دقت در قسمت # of Contours برای مثال عدد ۱۰۰ را انتخاب می کنیم و سر انجام Apply می کنیم.
همین طور می توان جریان را به صورت خط (streamline) نمایش داد.
در قسمت Domain محیطی که می خواهیم جریان نمایش داده شود را انتخاب می کنیم. و در قسمت Start From همان طور که از نام پیداست، شروع جریان را انتخاب می کنیم. Sampling نیز نوع نمایش خطوط جریان است. در قسمت Reduction نوع و تعداد تمرکز جریان را تعیین می کنیم.
حل مسئله سیالاتی یک Airfoil در اینجا به پایان رسیده است. تاکید می کنیم این مثال جهت آشنایی با مراحل حل یک مسئله سیالاتی است و جزئیات تک تک و به صورت کامل توضیح داده خواهد شد.
سپاس از نگاه و همراهی شما
دیدگاهتان را بنویسید
برای نوشتن دیدگاه باید وارد بشوید.