شبیه‌سازی جریان داخلی با استفاده از نرم‌افزارهای ICEM-CFD و CFX_بخش ۵
توضیح در مورد روش تولید شبکه دلانی:
به صورت پیش‌فرض نرم‌افزار برای شبکه‌های تولیدشده به روش دلانی، درون احجام قرار گرفته در داخل دیگر احجام، شبکه‌ای تولید نمی‌کند. به منظور تولید شبکه درون بخش جامد، می‌بایست تنظیمات ذیل اعمال گردد. با فعال‌سازی گزینه‌های Mesh Internal Domains و Flood Fill After Completion، نرم‌افزار در درون مخروط نیز شبکه تولید خواهد کرد.
شکل ۲۶- فعال‌سازی گزینه‌های تولید شبکه دلانی بر روی احجام داخلی
پس از اعمال تنظیمات مذکور و فشردن کلیدهای Apply و Dismiss، مجددا به پنجره تولید شبکه رفته و این‌بار شبکه حجمی به روش دلانی تولید می‌شود.
شکل ۲۷- تولید شبکه به روش دلانی
با مشاهده شبکه در سطح مقطع میانی، می‌توان تاثیرات تابع تراکم و روش دلانی را مشاهده نمود.
شکل ۲۸- برشی از شبکه دلانی تولید شده در صفحه عمود بر محور z
پیش از تولید شبکه لایه مرزی، ضروری است کیفیت شبکه بدون‌سازمان مورد بررسی قرار گیرد. از آنجا که تولید شبکه لایه مرزی، غالبا موجب کاهش کیفیت شبکه نهایی می‌شود، توصیه می‌شود کیفیت شبکه حجمی مورد استفاده برای تولید لایه مرزی تا حد ممکن بالا باشد. مقدار ۳/۰ برای حداقل کیفیت، کاملا قابل قبول است. هر چند این مقدار بسته به پیچیدگی‌های هندسی ممکن است تا ۰/۲ نیز پایین باشد. در اینجا روشی ارائه می‌گردد که در آن علاوه بر بررسی کیفیت فعلی، شبکه هموار شده و به کیفیت آن تا حد ممکن افزوده می‌شود. بدین منظور از مسیر زیر استفاده می‌شود.
Edit Mesh—> Smooth Mesh Globally
شکل ۲۹- مسیر هموارسازی شبکه بدون‌سازمان
در زمان ورود به این پنجره، نرم‌افزار گزارشی از وضعیت کیفیت شبکه به صورت هیستوگرام ارائه می‌کند. هیستوگرام نموداری است که در آن ارتفاع هر ستون، نشان‌دهنده تعداد المان‌های قرار گرفته در هر بازه کیفیتی است. ستون‌هایی که در بالا، دارای یک پیکان هستند، نشان‌دهنده تعدادی بیش از عددی است که در سمت چپ ستون‌ها نمایش داده می‌شود. در خصوص شبکه تولید شده در این پروژه، مشاهده می‌شود، حداقل کیفیت ۳۵/۰ است و در ستون‌های با کیفیت کمتر از ۳۵/۰ هیچ المانی قرار نگرفته‌است. معیار کیفیت در شبکه‌های بدون‌سازمان، نسبت اضلاع است که در مورد المان‌های چهاروجهی، تعیین‌کننده خوابیدگی المانها نیز می‌باشد.
شکل ۳۰- هیستوگرام کیفیت شبکه پیش از انجام هموارسازی
در مورد شبکه تولید شده در این پروژه، با توجه به مقدار بالای کیفیت، نیازی به هموارسازی شبکه نیست. با این وجود در صورت تمایل می‌بایست در بخش Up to value عددی بزرگ‌تر از حداقل کیفیت قرار داد. در واقع این عدد معیاری از حداقل کیفیت قابل قبول است که نرم‌افزار با استفاده از آن، کلیه المان‌های دارای کیفیتی پایین‌تر از این مقدار را برای هموارسازی انتخاب می‌کند. در هر مرحله ابتدا مقداری بزرگ‌تر از حداقل گزارش‌شده اعمال و با استفاده از کلید Apply هموارسازی انجام می‌شود. در صورت بالاتر رفتن کیفیت، به تدریج به مقدار تنظیم‌شده در Up to value افزوده می‌شود. در مورد پروژه پیش‌رو، ابتدا مقدار ۰/۴ و پس از آن مقادیر ۰/۵ و ۰/۶ درج می‌شود و در هر مرحله چندین بار کیلد Apply فشرده می‌شود تا کیفیت به حداکثر ممکن برسد.
در نهایت وضعیت کیفیت شبکه مطابق زیر خواهد بود.
شکل ۳۱- هیستوگرام کیفیت شبکه هموارشده نهایی
در مراحل تولید شبکه لایه مرزی ممکن است، تولید شبکه با موفقیت و یا کیفیت و آرایش مورد نظر تولید نشود. در این شرایط، در صورتی که فایل پشتیبانی از شبکه موجود نباشد، ممکن است ناچار به تکرار مراحل تولید شبکه بدون‌سازمان باشیم. بنابراین علاوه بر ذخیره کامل پروژه از طریق کلید Save Project، شبکه بهبود یافته نیز به صورت مجزا و با نامی مستقل ذخیره می‌شود تا در صورتی که در مراحل بعدی، اشتباها پروژه ذخیره شد، فایل پشتبیان شبکه دست‌نخورده باقی بماند. بدین منظور از مسیر زیر استفاده می‌شود.
File—> Mesh—> Save Mesh As
برای نام فایل شبکه می‌توان از اسمی دلخواه مانند Fine Mesh استفاده نمود. نرم‌افزار شبکه را در فایلی با این نام و پسوند .uns ذخیره می‌کند تا در صورت نیاز، با استفاده از گزینه Open Mesh مجددا فراخوانی شود.
در نهایت نوبت به تولید شبکه لایه مرزی می‌شود. پیش از آن می‌بایست ارتفاع اولین طبقه محاسبه گردد. بدین منظور همانطور که پیش از این نیز ذکر گردید از ارتفاع بی‌بعد استفاده می‌شود. جهت آشنایی بیشتر با این مفهوم به فصل معرفی آشفتگی مراجعه کنید. برای پروژه پیش‌رو استفاده از مدل آشفتگی SST یکی از گزینه‌های مطلوب است. برای دستیابی به حداکثر دقت شبیه‌سازی در این مدل، مقادیر ارتفاع بی‌بعد نزدیک به ۱ توصیه می‌شود. با این وجود در غالب پروژ‌ه‌ها مقادیر کوچک‌تر از ۳۰ نیز منجر به جواب‌های قابل قبول می‌شود. ما در اینجا از مقدار ۵ استفاده می‌کنیم. برای تبدیل مقدار ارتفاع بی‌بعد به ارتفاع اولین طبقه لایه مرزی از رابطه تقریبی-تجربی زیر استفاده می‌شود.
که در آن dh قطر هیدرولیکی مجرا و Redh نیز رینولدز بر مبنای سرعت متوسط و قدر هیدرولیکی مجرا است. در پروژه پیش رو، مقادیر مورد استفاده در رابطه بالا به شرح ذیل‌اند.
y+= 5
dh=0.02
V=10 m/s
Mu=1.8e-5
Ro=1.2
Re=13000
و از آن مقدار ارتفاع بی‌بعد ۰/۱ میلیمتر معادل ۰/۰۱ سانتیمتر محاسبه می‌گردد. این مقدار به عنوان ارتفاع اولین طبقه اعمال خواهد شد. همچنین با توجه به شبیه‌سازی جریان جریان داخلی و امکان تداخل لایه‌های مرزی، تعداد طبقات بر روی ۷ تنظیم می‌شود.
برای تولید شبکه لایه مرزی از مسیر زیر استفاده می‌شود.
Mesh—> Compute Mesh—> Prism
شکل ۳۲- منوی تولید شبکه لایه مرزی
پس از ورود به پنجره تولید شبکه لایه مرزی، با فشردن کلید Select Parts for Prism Layer، وارد پنجره تنظیمات شبکه لایه مرزی می‌شویم. در واقع این پنجره بخشی از Part Mesh Setup است که پیش از این تنظیم نشده بود. تنظیمات را مطابق شکل اعمال می‌کنیم. با فعال‌سازی گزینه prism در بخش fluid و غیرفعال‌ماندن آن در بخش solid، نرم‌افزار تشخیص می‌دهد که بر روی سطح مشترک جامد و سیال یعنی Internal Wall Cone می‌بایست لایه مرزی تنها به سمت fluid تولید شود. در غیر این صورت، نرم‌افزار شبکه لایه مرزی را بر روی سطح مشترک به هر دو سمت تولید می‌کند. پس از اعمال تنظیمات، با فشردن Apply و پس از آن Dismiss از پنجره خارج می‌شویم.
شکل ۳۳- تنظیمات شبکه لایه مرزی
در نهایت با فشردن کلید Compute شبکه لایه مرزی تولید و در شبکه فعلی ادغام می‌شود. این روند بسته به توان محاسباتی پردازشگر، ممکن است تا چندین دقیقه طول بکشد.
پس از تولید شبکه لایه مرزی، مشابه روش‌های توضیح داده شده پیش از این، برشی از شبکه و همچنین کیفیت شبکه مورد بررسی قرار می‌گیرد. شرایط شبکه تولید شده در این مرحله مناسب است و نیازی به هموارسازی ندارد.
شکل ۳۴- نمایی از شبکه لایه مرزی تولید شده
یکی از مسائلی که بر روی همگرایی و دقت نتایج شبیه‌سازی جریان بر روی موانع تاثیرگذار است، ادامه دامنه حل در منطقه گردابی است. به طور معمول در رینولدزهای بالاتر از ۵، جریان بر روی مانع دچار جدایش می‌شود که در نتیجه آن دنباله‌ای تشکیل می‌شود که تا چندین برابر طول مشخصه ادامه می‌یابد. در صورتی که منطقه گردابی و چرخشی پشت جسم تا خروجی ادامه یابد، بر روی خروجی، جریان بازگشتی رخ می‌دهد. این مساله علاوه بر آن که همگرایی حل را به طور مستقیم تحت تاثیر قرار می‌دهد، به دلیل ورود اطلاعات ناشناخته از پایین‌دست، می‌تواند موجب بروز خطای شبیه‌سازی شود.
بنابراین توصیه می‌شود در چنین شرایطی، دامنه حل تا ۱۰ برابر طول مشخصه ادامه داده شود تا دنباله‌ها درون دامنه حل میرا شده و در خروجی تنها جریان خروجی وجود داشته باشد. بدین منظور ضروری است در پروژه حاضر نیز شبکه تا طولی بیشتر از طول فعلی امتداد داده شود. به منظور صرفه‌جویی در تعداد المانها از روش Extrude برای تولید دامنه اضافی استفاده می‌شود.
در این روش از پیمایش شبکه بر روی مرز خروجی تا طولی دلخواه، شبکه‌ای شبه منشوری تولید می‌شود که تعداد آن در مقایسه با شبکه بدون‌سازمان کامل، می‌تواند تا یک‌چهارم نیز کاهش یابد. بدین منظور ابتدا خطی به طول دلخواه تولید می‌شود و پس از مدرج نمودن آن طبق فواصل دلخواه، شبکه حجمی تولید می‌شود.
نویسنده: آقای مهندس احسان سعادتی