مقدمه‌ای بر مدلسازی FSI در نرم‌افزار فلوینت

در ادامه مقاله های آموزشی در رشته مهندسی مکانیک گرایش سیالات در این مقاله آموزشی به مدل سازی FSI در نرم افزار Fluent پرداخته می شود که امیدواریم برای دانشجویان کارشناسی ارشد و علاقه مندان مفید واقع شود . نرم افزار Fluent یکی از پرکاربردترین نرم افزار های مهندسی در رشته مهندسی مکانیک می باشد که در ارایه مقالات علمی و پژوهشی , پایان نامه های کارشناسی ارشد و پروژه های صنعتی کاربرد فراوان دارد .

نرم افزار انسیس ( Ansys ) یک نرم افزار جامع در خصوصات محاسبات مهندسی بوده که یکی از بخش های آن مکانیک سیالات است .  نرم افزار Ansys در سال های اخیر بسته جامعی از نرم افزارهای مورد نیاز مکانیک سیالات در اختیار کاربران قرار داده است که از جمله آن می توان به نرم افزارهای Fluent و CFX اشاره کرد .

یکی از قابلیت‌های نرم‌افزار Ansys Fluent تحلیل مسائل برهم‌کنش سازه و سیال  FSI می‌باشد . از منظر کاربردهای مهندسی مکانیک ، FSI ، یک مسأله چند وجهی در سیستمی است که در آن جریان سیال منجر به تغییر شکل ساختار جامد و از سوی دیگر تغییر فرم جامد ، منجر به عوض شدن شرایط مرزی مسأله سیال می‌شود . به عنوان مثال ، جریان هوای حول بال هواپیما منجر به تغیر شکل بال ( هر چند به صورت جزئي) می‌شود و این امر متعاقباً باعث تغییر الگوی جریان هوای اطراف بال خواهد شد .

به طور کلی یک سیستم FSI را می‌توان به صورت کوپل شده ضعیف یا کوپل شده قوی مورد بررسی قرار داد . چنانچه با تغییر شکل ساختار جامد درون یا شامل سیال ، فشار اندکی به میدان جریان منتقل شود و در نتیجه تغییر شکل میدان جریان قابل‌چشم‌پوشی باشد ؛ این سیستم‌ها به عنوان سیستم‌های کوپل شده ضعیف شناخته می‌شوند . به عنوان نمونه‌ای از این سیستم‌ها می‌توان به مسائل مربوط به لوله‌کشی (piping) اشاره کرد . از سوی دیگر ، سیستمهای جامد-سیال ، کوپل شده قوی هستند در صورتی که نتوان از تغییرات میدان جریان به علت تغییرات ساختار جامد چشم‌پوشی نمود . مسأله بی‌ثباتی مایع-الاستیک در لوله‌های یک مبدل حرارتی ، نمونه‌ای از مسائل کوپل شده قوی است .

در نرم‌افزار فلوینت دو روش به منظور تحلیل مسائل FSI پیش‌بینی شده است . روش اول ، روش یکپارچه (Monolithic) یا تمام کوپل (Fully coupled) می‌باشد . در این روش ، معادلات سیستم‌های جامد (سازه) و سیال به صورت همزمان حل می‌شوند . از جمله مزایای روش تمام کوپل می‌توان به قابلیت موازی‌سازی بهتر و گسسته‌سازی یکپارچه ترم‌های زمان-مکان اشاره نمود . لزوم تطابق شبکه‌بندی سیستم سیال و سازه از جمله معایب این روش می‌باشد .

روش دوم تحلیل مسائل FSI در نرم افزار  فلوینت ، رویکرد staggered ، Partitioned (جزءبندی‌ شده) یا Interaction می‌باشد . در این روش بخش‌های سیال و سازه به صورت یک به یک حل می‌شوند . امکان بهره‌گیری از حلگرهای سنتی برای سیالات استاندارد و مسائل الاستیسیته از مزایای روش Partitioned می‌باشد . همچنین ، در روش Partitioned ، بر خلاف روش Monolithic ، نیازی به تطابق مش‌های بخش سیال و جامد با یکدیگر نمی‌باشد . از معایب روش staggered می‌توان به آهسته بودن موازی‌سازی و دشوار بودن همگرایی حل مسأله اشاره نمود .

روش staggered خود به دو زیرمجموعه تقسیم می‌شود : روش کوپل یک طرفه (one-way coupling) و روش کوپل دو طرفه  (two-way coupling). در روش کوپل یک طرفه ، حل بخش سازه و یا سیال انجام می‌شود (دامین ۱) و نتایج حل به بخش دیگر (دامین ۲) منتقل می‌شود . اما نتایج حل انجام شده در دامین (۲) مجدداً به دامین (۱) منتقل نمی‌شود . به عنوان مثال ، در نرم‌ افزار Ansys ، ابتدا در ماژول mechanical ، حل قسمت سازه صورت می‌گیرد و سپس نتایج حل (فشار، تنش، کرنش و ...) ، به ماژول فلوینت (یا CFX) منتقل می‌شود . سپس در نرم افزار فلوینت ، تحلیل دینامیک سیالات محاسباتی CFD بر روی مسأله انجام شده و حل مسأله پایان می‌یابد .

به عبارت دیگر ،‌ نتایج حل حاصل از فلوینت (میدان دما، سرعت، فشار و ...) مجدداً به mechanical انتقال نمی‌یابد . روش کوپل یک طرفه هنگامی به کار می‌آید که جابجایی‌ها و اختلافات دمایی محاسبه شده در مکانیکال به اندازه‌ای بزرگ نباشند که تأثیر قابل ملاحظه‌ای بر محاسبات سیالاتی داشته باشند .

در مقابل ، در روش کوپل دو طرفه ، حل بخش‌های سیال و سازه همزمان با یکدیگر انجام می‌شود و نتایج حل دو قسمت با یکدیگر کوپل هستند . برای مثال ، فشار محاسبه شده در ماژول mechanical، به Fluent منتقل می‌شود و پس از محاسبات سیالاتی در نرم افزار فلوینت ، نتایج مجدداً به mechanical انتقال می‌یابد و نتایج اولیه حل سازه‌ای به‌روزرسانی می‌شود . تحلیل انجام شده در روش کوپل دو طرفه ، به طور پیوسته و متناوب انجام می‌شود تا زمانی که یک تعادل کلی بین حل حاصل از قسمت مکانیکال با حل به دست آمده از نرم افزار فلوینت برقرار گردد . روش کوپل دو طرفه هنگامی استفاده می‌شود که نتایج حاصل از حل سازه‌ای (فشار ، دما ، تنش ، تغییر شکل و ...) ، تأثیر قابل ملاحظه‌ای بر نتایج حل CFD داشته باشند .

به دلیل اهمیت نرم افزار Fluent در رشته مهندسی مکانیک در این مقاله آموزشی سعی بر آموزش یکی دیگر از قابلیت های نرم افزار فلوینت گردید که امیدواریم برای دانشجویان کارشناسی ارشد برای ارایه مقالات علمی و پژوهشی , پایان نامه های کارشناسی ارشد و پروژه های صنعتی مفید واقع شود .

برای آشنایی با نحوه نصب نرم افزار Fluent نیز می توانید بر روی نحوه نصب نرم افزار فلوینت کلیک نمایید تا به مقاله مربوطه منتقل شوید .

مقاله های آموزشی مرتبط :

آشنایی با نرم افزار Openfoam

راهنمای نصب نرم افزار Autodyn

آشنایی و راهنمایی نصب نرم افزار Matlab

آموزش نصب Fortran Intel