مقدمه‌ای بر مدلسازی FSI در نرم‌افزار OpenFoam

نویسنده admin 1396/07/23 0 نظر مطالب,
مقدمه‌ای بر مدلسازی FSI در نرم‌افزار OpenFoam

مقدمه‌ای بر مدلسازی FSI در نرم‌افزار OpenFoam

 

 

در مقاله آموزشی دیگری تحت عنوان مقدمه ای بر مدلسازی  FSI در نرم افزار Fluent به مدل سازی FSI پرداخته شد . به دلیل اهمیت مدل سازی FSI در این مقاله آموزشی به مدل سازی FSI در نرم افزار OpenFoam پرداخته می شود .

نرم افزار OpenFoam یکی از مهم ترین و پرکاربردترین نرم افزار های مهندسی در مقطع کارشناسی ارشد در رشته مهندسی مکانیک می باشد که بسیاری از دانشجویان و فارغ التحصیلان رشته مهندسی مکانیک با استفاده از آن به ارایه مقالات علمی و پژوهشی , پایان نامه کارشناسی ارشد و پروژه های صنعتی می پردازند .

بر‌هم‌کنش سازه و سیال FSI یکی از مباحث کاربردی دینامیک سیالات محاسباتی CFD می‌باشد.  در مسائل FSI، تأثیر متقابل جریان سیال و ساختار جامد (سازه) بر روی یکدیگر مورد بررسی قرار می‌گیرد. تحلیل جریان خون در رگ‌ها، جریان هوای حول هواپیما، جریان سیال درون لوله‌ها، جریان سیال داخل توربین‌ها و پمپ‌ها و ... را می‌توان به عنوان نمونه‌هایی از مسائل مرتبط با FSI به شمار آورد. دو دیدگاه برای شبیه‌سازی مسائل FSI وجود دارد. روش جزءبندی‌ شده (Partitioned) و روش یکپارچه (Monolithic). در روش Partitioned معادلات حاکم بر جریان سیال و سازه، با دو حلگر (solver) مستقل حل می‌شوند. در روش Monolithic معادلات حاکم بر بخش‌های جامد و سیال، به طور همزمان و با استفاده از یک حلگر واحد حل می‌شوند.

حلگرهای نرم‌افزار اپن فوم (OpenFOAM)، مسائل FSI را با استفاده از هر دو دیدگاه partitioned و Monolithic، شبیه‌سازی می‌نمایند. در نرم افزار OpenFoam برای کوپل کردن حلگرهای سازه و سیال دو روش صریح (explicit) و ضمنی (implicit) پیش‌بینی شده است. از روش صریح که نسبت به روش ضمنی آسانتر می‌باشد، برای شبیه‌سازی بر‌هم‌کنش ضعیف میان سیال و سازه استفاده می‌گردد. در این مسائل جسم جامد عموماً به صورت صلب می‌باشد. برای نمونه می‌توان به مسأله جریان حول ساختمان اشاره کرد.

 

 

 

در مقابل روش ضمنی برای مسائلی که در آنها برهم‌کنش قوی میان ساختارهای جامد و سیال وجود دارد مناسب می‌باشد. در این موارد جابجایی ساختار جامد تأثیر قابل ملاحظه‌ای بر سیال پیرامونی دارد. به بیان دیگر سازه نسبتاً انعطاف پذیر می‌باشد. برای نمونه می‌توان به مسائل خطوط لوله پلاستیکی، جریانهای قلبی عروقی و کیسه‌های هوای ماشین اشاره کرد.

 

 

یکی از مهمترین مراحل در شبیه‌سازی CFD در نرم‌افزار اپن‌ فوم، انتخاب حلگر مناسب می‌باشد. در نرم افزار OpenFoam برای هر حوزه سیالاتی (جریان‌های تراکم‌پذیر و تراکم‌ناپذیر، احتراق، جریان‌های چند فازی، الکترومغناطیس و ...)، چندین حلگر مختلف پیش‌بینی شده است و بنا به شرایط مسأله بایستی یکی از آنها را انتخاب نمود. در حوزه FSI نیز می‌توان از دو حلگر icoFsiFoam و icoFsiElasticNonLinULSolidFoam نام برد که بر روی نسخه‌های extend نرم‌افزار OpenFOAM پیاده‌سازی شده‌اند.

در مورد حلگر icoFsiFoam باید گفت که این حلگر برای شبیه‌سازی برهم‌کنش میان جریان سیال تراکم‌ناپذیر با سازه الاستیسیته خطی مناسب می‌باشد و بر پایه رویکرد partitioned گذرا عمل می‌کند. الگوریتم پیاده‌سازی شده در حلگر icoFsiFoam به صورت زیر عمل می‌کند:

۱- فشار بر روی مرز FSI تنظیم می‌شود.

۲- کشش (traction) بر روی مرز جامد (سازه)  آپدیت می‌شود.

۳- تغییر شکل سازه با استفاده از حلگر stressedFoam حل می‌شود.

۴- مش متحرک (dynamic mesh) آپدیت می‌شود.

۵- دامنه محاسباتی سیال با استفاده از الگوریتم SIMPLE و به وسیله یک لوپ تصحیح فشار اضافی حل می‌شود. 

تکنیک مش دینامیک به کار رفته در نرم‌افزار اپن فوم، قادر به پالایش و آپدیت خودکار شبکه محاسباتی در زیردامنه‌ها می‌باشد. از آنجا که نحوه حرکت مش از ابتدا نامعلوم است، ‌بایستی یک معادله حرکت مش، به منظور تحلیل مش متحرک در طی روند حل مسأله FSI، تعیین شود. در اپن فوم ۴ معادله به این منظور وجود دارد:

۱- قیاس spring (Spring analogy)

۲- قیاس spring پیچشی و خطی

۳- معادله لاپلاس به همراه ضریب پخش ثابت و متغیر

۴- معادله شبه جامد خطی برای تغییر شکل‌های کوچک

حلگر icoFsiElasticNonLinULSolidFoam نیز برای مسائل FSI تمام کوپل گذرا استفاده می‌شود. این حلگر برای شبیه‌سازی برهم‌کنش میان جریان سیال تراکم‌ناپذیر با یک جامد با کرنش زیاد (large strain solid) استفاده می‌شود.

برای نصب حلگر icoFsiElasticNonLinULSolidFoam بر روی نسخه‌های extend نرم‌افزار اپن‌فوم می‌توان به آدرس http://openfoamwiki.net/index.php/Extend-bazaar/Toolkits/Fluid-structure_interaction مراجعه نمود و با توجه به راهنمایی‌های صورت گرفته در سایت اقدام به نصب این حلگر بر روی سیستم‌عامل لینوکس نمود. ‌لازم به ذکر است که نحوه فراخوانی مثال‌های آماده و tutorial مربوط به حلگر icoFsiElasticNonLinULSolidFoam در سایت مذکور توضیح داده شده است.

 

 در این مقاله آموزشی مدلسازی FSI در نرم‌افزار OpenFoam پرداخته شد که امیدواریم برای شما علاقه مندان برای ارایه پایان نامه های کارشناسی ارشد , مقالات علمی و پژوهشی و پروژه های صنعتی مفید واقع شود .

در مقالات آموزشی دیگری تحت عنوان مقدمه‌ای بر مدلسازی FSI در نرم‌افزار Fluent به مدل سازی Fsi در نرم افزار مهندسی Fluent پرداخته شده است که برای مطالعه این مقاله و آشنایی با نرم افزار OpenFoam می توانید بر روی عبارات مربوطه کلیک نمایید تا به مقاله های مربوطه منتقل شوید . 


 

افزودن نظر