گام زمانی در فلوئنت ( Time Step در فلوئنت )

در ابتدای شروع به کار با نرم افزار فلوئنت همیشه با مشکل انتخاب گام زمانی در فلوئنت ( time step در فلوئنت ) مواجه بودم . در اکثر منابع هم اشاره شده است که بیشتر به صورت تجربی و با انجام شبیه سازی های متعدد می توانید به مهارت در این زمینه دست پیدا کنید . به علت اینکه در  گروه تلگرام پرسش و پاسخ مکانیک سیالات ما همچنان سوالات زیادی در این زمینه مطرح می شود ، در این مقاله سعی کردم تجاربی که درباره نحوه انتخاب صحیح گام زمانی در فلوئنت دارم را با شما به اشتراک بگذارم . اگر شما هم اطلاعات بیشتری در اینباره دارید لطفا در قسمت نظرات بنوسید تا کمکی به دانشجویان عزیز شود.

برای شبیه سازی های وابسته به زمان یا Transient علاوه بر بررسی شبکه ، میبایست مطالعه بر روی گام زمانی در فلوئنت (time step in fluent ) صورت گیرد. انتخاب صحیح  گام زمانی در فلوئنت به این صورت است که باید پس از بررسی روی شبکه و انتخاب شبکه بهینه ،  وارد بررسی گام زمانی شوید و شبیه سازی را برای شبکه بهینه با گام های زمانی متفاوت انجام دهید. تایم استپ به فیزیک مسئله ، سرعت انجام پدیده و سایز شبکه بستگی دارد و میبایست با در نظر گرفتن همه این پارامترها انتخاب گردد.

در چه مواردی نیاز به استفاده از گام زمانی در فلوئنت می باشد ؟

در فلوئنت شبیه سازی ها به دو دسته پایدار (Steady)  و وابسته به زمان ( transient ) تقسیم می شوند. در حل های پایدار (Steady) ترم زمان از معادله حل حذف می شود، یعنی تنها شرایط پایدار انتهایی شبیه سازی مد نظر کاربر می باشد. به عنوان مثال فرض کنید یک شبیه سازی در انسیس فلوئنت یا انسیس ورک بنچ انجام می دهیم که هدف آن بررسی تعادل دمایی یک گوی داغ در محیط اتاق می باشد. با توجه به این که در این شبیه سازی در نرم افزار انسیس فلوئنت دمای گوی در انتها پایدار شده است و به تعادل دمایی با محیط اتاق می رسد از ترم زمان صرف نظر می گردد.

بهینه ترین گام زمانی در فلوئنت مسائل transient

به منظور شبیه سازی این دسته از مسائل از گزینه Steady یا حل پایدار استفاده می شود. در مقابل برخی از شبیه سازی ها نیاز به ترم زمان دارند یعنی در این دسته از مسائل زمان برای کاربر اهمیت دارد و هدف بررسی متغییر خاصی در طول زمان می باشد. به عنوان مثال سقوط یک گوی از ارتفاع مشخص؛ در این موارد اگر هدف ما بررسی تغییرات سرعت گوی در ارتفاع های مشخص باشد باید ترم زمان وارد معادلات حل نرم افزار انسیس فلوئنت یا انسیس سی اف ایسکس ( Ansys CFX ) شود.  پس تا این بخش آموختیم که شبیه سازی در نرم افزار انسیس ورک بنچ به دو دسته:

  • Steady
  • Transint

تقسیم می شود . پس از اینکه نوع شبیه سازی خود را مشخص کردیم در صورتی که در دسته دوم، یعنی حل های وابسته به زمان قرار گرفت میبایست گام زمانی (Time step) مناسب شبیه سازی را انتخاب کنیم.

گام زمانی یا Time Step را کجا تنظیم کنیم ؟

برای انتخاب گام زمانی مناسب در فلوئنت، باید به قسمت Calculation  رفته و  موارد مربوط به Time Step را وارد کرد. همان طور که در تصویر زیر مشاهده می کنید دو کادر با عناوین time step size  و Number of time Step وجود دارد. در این بخش باید تعداد گام های زمانی را وارد کنید. به طور مثال قصد داریم سقوط یک گوی را در نرم افزار فلوئنت به مدت زمان 2 ثانیه شبیه سازی کنیم اگر گام زمانی انتخابی در فلوئنت  ( time step size in fluent )  برای این شبیه سازی برابر 0.1 ثانیه انتخاب شود ، میبایست 20 گام زمانی ( Number of time Step ) را وارد کرد به عبارت دیگر:

Simulation Time = 0.1*20 = 2 second

 پس از وارد کردن این دو پارامتر باید تعداد تکرارهای حل را برای نرم افزار فلوئنت مشخص کرد. این تعداد تکرارها باید به گونه ای انتخاب شود که در هر گام زمانی شبیه سازی همگرا (Converge) شود.

نحوه انتخاب گام زمانی در فلوئنت

نحوه محاسبات فلوئنت به این صورت است که به عنوان مثال در گام زمانی دوم معادلات شبیه سازی شروع به حل می شود و تا زمانی که باقی مانده های معادلات به مقادیر تعیین شده برسد حلقه های تکرار ادامه پیدا می کند.
اگر در تعداد تکرار کمتر باقی مانده ها به مقادیر تعیین شده برسد ، شبیه سازی وارد گام زمانی بعدی می شود . اما در صورتی که در این تعداد تکرار به همگرایی نرسد بدون هیچ پیغامی نرم افزار فلوئنت وارد گام زمانی بعدی حل می شود.  پس حداقل تعداد تکرارها را می بایست بالا انتخاب کنیم (به طور مثال 200).

برای مشاهده آموزش جریان های دو فازی و جریان های چندفازی کلیک کنید

چگونه گام زمانی (Time step) مناسب در فلوئنت انتخاب کنیم ؟

در قسمت قبل پیرامون تنظیمات گام زمانی در فلوئنت صحبت کردیم. در این بخش به نحوه انتخاب این متغیر در نرم افزار انسیس فلوئنت و نرم افزار انسیس سی اف ایکس می پردازیم. متاسفانه باید اعترف کنم که واقعا یک فرمول واحد وجود ندارد !!!!  انتخاب گام زمانی در فلوئنت برای هر مسئله متفاوت است و میبایست با توجه به ماهیت شبیه سازی گام زمانی (Time Step) انتخاب گردد. اما به طور کلی روش تعیین آن به این صورت است که رفتار همگرایی در چند گام زمانی باید مورد بررسی قرار بگیرد و بهتر است برای شروع شبیه سازی در نرم افزار فلوئنت ابتدا یک گام زمانی کوچک به طور مثال 5 به توان -e10 انتخاب گردد . (با توجه به help فلوئنت)

سپس رفتار باقی مانده ها را در نظر گرفت تا شبیه سازی همگرا شود . اگر این همگرایی در تکرارهای 10 تا 20 اتفاق افتاد ، شما مجاز به افزایش سایز گام زمانی می باشید. این افزایش تا زمانی می تواند ادامه پیدا کند که مسئله در زیر 50 تکرار همگرا شود . همانطور که توضیح داده شد باید در مسایل transient همگرایی در هرگام زمانی حاصل شود.

دقت کنید که تایم استپ به فیزیک مسئله ، سرعت انجام پدیده و سایز شبکه بستگی دارد و باید با در نظر گرفتن همه این پارامترها انتخاب شود. به عنوان مثال در پدیده هایی با واکنش خیلی سریع که در صدم ثانیه رخ می دهند گام زمانی می بایست در رنج های خیلی پایین انتخاب گردد. فرض کنید در یک واکنش شیمیایی که در کمتر از 0.1 ثانیه انجام می شود ، اگر گام زمانی شما 0.1 باشد مسلما پدیده شما درست شبیه سازی نمی شود (این که حل شما به احتمال زیاد دایورج می شود را نادیده بگیریم).

مفهوم گام زمانی بهینه در فلوئنت

هرچقدر گام زمانی شما کوچک تر باشد شبیه سازی شما به مراتب کیفیت بالاتری خواهد داشت. اما بدین معنا نیست که شما می توانید گام زمانی را به هر میزان دلخواه کوچک کنید . اگر گام زمانی شما خیلی خیلی کوچک شود ( نسبت به گام زمانی بهینه ) ممکن است داده های شبیه سازی کاملا متفاوت شوند و از مقادیر واقعی فاصله گیرند. پس باید با آزمودن چندین گام زمانی جداگانه و افزایش و کاهش آن ها مقدار بهینه را بدست آورید. ( در صورت نیاز توضیحات دو پاراگراف بالاتر را مجددا مطالعه فرمایید )

حال سوال پیش می آید گاهی، برخی از شبیه سازی ها در طول حل رفتار متغییر دارند ، به عنوان مثال سقوط آزاد یک جسم را در نظر بگیرید . با توجه به این که در طول شبیه سازی سرعت جسم صلب افزایش پیدا می کند ممکن است استفاده از گام زمانی بزرگ در ابتدا به خوبی موجب همگرایی شود . اما در اواسط حل یا در اواخر شبیه سازی زمانی که گوی سرعتی به مراتب بیشتری نسبت به گام های زمانی ابتدایی دارد ، همگرایی شبیه سازی رخ نمی دهد (علاوه بر این به علت پیمودن مسافت زیاد ایجاد خطای حجم منفی می کند). در این مواقع دو راه کار مطرح می گردد:

  1. 1- استفاد از گام زمانی انتهای حل در تمامی مراحل شبیه سازی یا تغییر گام زمانی توسط کاربر در اواسط حل
  2. 2- استفاده از گام زمانی متغیر. این بخش نیاز به یو دی اف نویسی داشته (UDF) و کاربر نیاز به ایجاد یک کد با توجه به مسئله شبیه سازی دارد به عنوان مثال در شبیه سازی سقوط آزاد در فلوئنت میتوان با مشاهده سرعت گوی در هر گام؛ گام زمانی مناسب را انتخاب کرد.(Adaptive Time Step)
حتما بخوانید #
خطای حجم منفی(Negative volume) در دینامیک مش (Dynamic Mesh)

مطالعه گام زمانی یا Time Step در فلوئنت :

همان طور که برای یک شبیه سازی در حوزه دینامیک سیالات محاسباتی مطالعه بر روی شبکه صورت می گیرد ، برای شبیه سازی های وابسته به زمان یا Transient  نیز علاوه بر مطالعه شبکه باید مطالعه بر روی گام های زمانی صورت گیرد.  بدین منظور پس از مطالعه بر روی شبکه و انتخاب شبکه بهینه وارد بررسی گام زمانی در فلوئنت شوید و شبیه سازی را برای شبکه بهینه با گام های زمانی متفاوت انجام دهید . سپس یکی از متغییرهای سرعت ، فشار یا دما… را بر حسب زمان استخراج کرده و در گام های زمانی متفاوت مقایسه کنید.

بدین صورت که گام های زمانی را به صورت ضریبی از تایم اسکیل مرحله به مرحله کوچک کنید و تغییرات یک پارامتر را با زمان و یا یک توزیع را در زمان های مختلف مقایسه کنید. در انتها گامی که دارای اختلاف کمتری نسبت به گام های دیگر باشد را برای شبیه سازی خود انتخاب کنید. اگر علاقه مند به مطالعه بیشتر باشید می توانید در لینک زیر اطلاعات مفید و بیشتری بدست آورید.

User Inputs for Time-Dependent Problems

حتما بخوانید #
کامپایل کردن یو دی اف در فلوئنت (Compile UDF in Ansys Fluent) آموزش یو دی اف نویسی
گام زمانی در فلوئنت ( Time Step در فلوئنت )
5 (100%) 4 votes

admin

دیدگاه کاربران ...

تعداد دیدگاه : 0

    لطفا قبل از ارسال سئوال یا دیدگاه سئوالات متداول را بخونید.
    جهت رفع سوالات و مشکلات خود از سیستم پشتیبانی سایت استفاده نمایید .
    دیدگاه ارسال شده توسط شما ، پس از تایید توسط مدیران سایت منتشر خواهد شد.
    دیدگاهی که به غیر از زبان فارسی یا غیر مرتبط با مطلب باشد منتشر نخواهد شد.

    دیدگاه خود را بیان کنید