مقدمه ای بر شرایط مرزی در نرم افزار FLUENT بخش ۱
شرایط مرزی در نرمافزار فلوئنت
در این فصل بر آنیم تا به اختصار به معرفی انواع مرزهای مورد استفاده در نرمافزار FLUENT بپردازیم. هدف نهایی، ارائه راهبردهایی است که کاربران بتوانند پس از انتخاب مرز مناسب، تنظیمات صحیحی بر روی آن انجام داده و در شبیهسازی نهایی استفاده نمایند.
۱- تنظیمات محیطهای پیوسته
این تنظیمات مربوط به محیطهای پیوسته است و تحت عنوان Cell Zone Condition در منوی درختی سمت چپ نرمافزار شناخته میشود.
شکل ۱- منوی انتخاب محیطهای پیوسته
محیطهای پیوسته در نرمافزار FLUENT به صورت کلی به دو گروه سیال و جامد تقسیم میشود که در آن، بخش سیال می‌تواند شامل محیطهای متخلخل نیز باشد. در هر شبیهسازی بسته به تعداد محیط‌هایی که در نرمافزار تولید شبکه، تولید و یا از طریق جداسازی محیط‌ها در نرمافزار FLUENT ایجاد شده‌است ، می‌توان تنظیمات اعمال نمود. برخی محیط‌ها می‌توانند سیال و برخی دیگر جامد باشند. بدیهی است در محیطهای جامد تنها معادله حاکم، معادله انرژی است مگر آن‌که معادله‌ای مربوط به مدل خاصی مانند الکترومغناطیس و یا تشعشع فعال باشد.
در ذیل به تنظیمات اصلی یک محیط پیوسته از جنس سیال می‌پردازیم. با فشردن کلید Edit می‌توان تنظیمات اصلی هر محیط را اعمال نمود.
شکل ۲- منوی اصلی تنظیمات محیط پیوسته از جنس سیال
با فعال‌سازی هر گزینه می‌توان به نوار مربوط به آن گزینه رفت و تنظیمات مربوطه را انجام داد. در ادامه، کارکرد هر یک از گزینه‌ها به اختصار معرفی میشود.
۱- Frame Motion
کاربرد: تعریف یک دستگاه مختصات متحرک، جهت شبیهسازی جریان در فیزیک‌هایی که نیازمند تعریف شرایط مرزی در دستگاه مختصات متحرک‌اند. شبیهسازی جریان در تجهیزات توربوماشینری، رایج‌ترین شبیه‌سازی‌های قرار گرفته در این گروه‌اند. استفاده از این نوع دستگاه متحرک به منظور شبیهسازی توربوماشینری، به آسانی انجام میشود و به صورت کلی پس از تعریف دستگاهِ متحرکی در هر منطقه سیالی ، با سرعت دلخواه و پس از آن تعریف مرز متحرکِ مجاورِ این منطقه، با سرعتِ نسبی صفر نسبت به دستگاه، سرعت مرز نسبت به دستگاه مختصات لخت معرفی و در شبیهسازی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
جهت آشنایی با روش استفاده از دستگاه چرخان در شبیه‌سازی‌های توربوماشینری، به مدارک آموزشی نرمافزار مراجعه کنید. در نسخه‌های آتی کتاب، روش‌های شبیهسازی توربوماشینری همراه با ارائه مثال‌هایی آموزش داده میشود.
شکل ۳- پنجره تنظیمات Frame Motion
۲- Laminar Zone
کاربرد: در هر شبیهسازی آشفته ممکن است در بخش‌هایی از دامنه حل، به دلیل پایین بودن مقادیر سرعت و یا بالا بودن ویسکوزیته، جریان آرام باشد و حل معادلات جریان آشفته مورد نظر نباشد. با فعال‌سازی این گزینه، معادلات آشفتگی بر روی محیط مورد نظر، غیر فعال خواهد شد.
۳- Source Terms
کاربرد: در مواردی که نیاز به تعریف جمله چشمه در منطقه‌ای از سیال و یا جامد باشد. تعداد انواع جملات، برابر است با تعداد معادلات فعال در هر منطقه و از هر نوع جمله، می‌توان به تعداد دلخواه چشمه تعریف کرد. نمونه آن جملات چشمه حرارتی بر روی محیطهای جامد و سیال است. می‌توان با استفاده از توابع UDF و ماکروی DEFINE_SOURCE چشمه تابعی از مقادیر دیگر، مانند زمان، سرعت، دما و غیره تعریف کرد.
شکل ۴- پنجره تنظیمات Source Terms
۴- Reaction
کاربرد: در شبیهسازی جریان‌های واکنشی، مواردی وجود دارد که هدف تعریف واکنش ویژه‌ای در بخش خاصی از دامنه حل است. با استفاده از این گزینه می‌توان از بین مکانیزم‌های واکنشی تعریف شده در بخش Species Transport، یکی را برای منطقه سیالی مورد نظر انتخاب نمود. جهت آشنایی بیشتر با فرآیندهای واکنشی به بخش Species Transport در مدارک آموزشی نرمافزار مراجعه نمایید.
شکل ۵- پنجره تنظیمات Reaction
۵- Mesh Motion
کاربرد: در بخش دستگاه مختصات متحرک که پیش از این معرفی گردید، حرکت فیزیکی مرزهای شبیهسازی با استفاده از دستگاه مختصات متحرک مدل‌سازی میشود و عملاً هیچ بخشی از شبکه حل جابجا نمی‌شود و تنها تاثیر سرعت مرز متحرک به صورت یک شرط مرزی اعمال میشود. این مدل در بسیاری از شبیه‌سازی‌های توربوماشینری، با فرض جریان پایا و سرعت کارکرد دورانی بالای ماشین، کاربرد مناسبی دارد. اما در برخی از شبیه‌سازی‌ها دقت بالاتری مورد نظر است.
به طور مثال در برخی از شبیه‌سازی‌های وابسته به زمان، تعامل دو طبقه ساکن و متحرک در گذار از مقابل یکدیگر، به صورت تابعی از زمان مورد نظر است. در این حالت می‌بایست، بخش متحرک شبکه به صورت تابعی از زمان و مشابه فیزیک واقعی جابجا شود و بر روی هر موقعیت میانی شبکه ، شبیهسازی وابسته به زمان انجام شود. در این شرایط از گزینه Mesh Motion استفاده میشود تا بخشی از شبکه دامنه حل نسبت به مبدا لخت و تابعی از زمان جابجا شود.
شکل ۶- پنجره تنظیمات Mesh Motion
۶- Fixed Values
کاربرد: در برخی از شبیه‌سازی‌ها، هدف عدم انجام حل معادله خاصی بر روی بخشی از دامنه حل و به دنبال آن ثابت ماندن مقادیر پیشین بر روی این بخش از دامنه حل است. در این حالت، معادله مورد نظر (به طور مثال مومنتوم در راستای X) به صورت عمومی بر روی دامنه حل، شبیهسازی میشود، اما بر روی بخشی که گزینه Fixed Values آن فعال باشد، مقادیر پیش از شبیهسازی ثابت می‌مانند. این مقادیر ثابت می‌توانند نتیجه شبیهسازی پیش از فعال‌سازی گزینه مذکور، مقادیر حدس اولیه و یا داده‌های آزمایشگاهی باشند. همچنین با استفاده از این گزینه، می‌توان از توابع UDF و یا مقادیر بدست آمده از شبیهسازی پیشین به صورت میانیابی استفاده نمود.
شکل ۷- پنجره تنظیمات Fixed Values
نویسنده: آقای مهندس احسان سعادتی