آموزش انجام پروژه فلوئنت – چگونگی انجام پروژه با انسیس فلوئنت

همیشه در ذهن  دانشجویانی که به تازگی شروع به کار با نرم افزار انسیس فلوئنت می کنند، سوالاتی مطرح می شود مثل چگونگی انجام پروژه با انسیس فلوئنت  ، بهترین روش برای انجام پروژه فلوئنت چیست  ، چگونه یک شبیه سازی در فلوئنت را آغاز کنم  و … به همین منظور در این مقاله سعی کردیم با حل مرحله به مرحله یک مثال این پرسش ها را پاسخ دهیم.

نرم افزار فلوئنت برپایه روش های حجم محدود و مقادیر ذخیره شده در مرکز سلول کار می­کند و برای تولید شبکه نیازمند نرم افزار اختصاصی تولید شبکه میباشد. برای شبیه سازی یک پروژه در انسیس فلوئنت می بایست مراحل زیر را طی کنیم :

  1. ۱- مدل سازی
  2. ۲- شبکه بندی
  3. ۳- تحلیل
  4. ۴- پردازش

در این بخش با بررسی یک مثال کامل تمامی مراحل انجام یک پروژه با انسیس فلوئنت را توضیح میدهیم. برای یادگیری بهتر ، فیلم این پروژه دانشجویی فلوئنت به همراه توضیحات کامل قرار داده شده و بسته به نیاز خود می توانید از این ویدئوی آموزش انجام پروژه با فلوئنت استفاده یا مقاله را مطالعه کنید.

فیلم آموزش انجام پروژه دانشجویی با فلوئنت

انجام پروژه شبیه سازی جریان توسعه یافته در یک لوله در فلوئنت :

فرض کنید که سیال هوا وارد یک لوله می شود. در هنگامی که سیال وارد لوله شده لایه مرزی به علت ویسکوزیته در نزدیک دیوارهای لوله شکل میگیرد و با فاصله گرفتن از ورودی ضخامت لایه مرزی شروع با افزایش و رشد میکنید. این روند تا جایی ادامه میابد که لایه مرزی دو دیواره لوله به یکدیگر رسیده و پس از این مکان مشخص، جریان به صورت کاملا توسعه یافته یا به عبارتی دیگر Fully developed  در می آید.

در شکل زیر جریان توسعه یافته در لوله به صورت شماتیک نشان داده شده است . همانطور که می بینید پس از طول مشخصی لایه مرزی در کنار دیواره به یکدیگر رسیده و پروفیل سهمی شکل در درون لوله شکل گرفته است.

انجام پروژه فلوئنت شبیه سازی جریان در لوله

در کنار دیواره لوله سرعت سیال صفر بوده که این مفهوم شرط مرزی عدم لغزش یا No slip  برروی دیوارهای لوله است. به عبارت دیگر این شرط مرزی بیان میکند در مجاروت یک دیواره ، سیال با همان سرعت دیواره حرکت میکند به طور مثال اگر دیواره سیال با سرعت ۵ متر بر ثانیه در جهت حرکت سیال شروع به حرکت کند مقدار پروفیل سرعت در نزدیک دیوارهای لوله به همین مقدار میباشد.

در شبیه سازی های عددی مقادیر سرعت در نزدیک دیوارها بسیار مهم بوده و می بایست اثرات این بخش به درستی شبیه سازی شود. بدین منظور در شبیه سازی با فلوئنت از مش لایه مرزی یا همان Prism استفاده می شود تا سرعت در نزدیک دیوارهای لوله در نرم افزار فلوئنت به درستی شبیه سازی شود.

محاسبه طول جریان ورودی برای انجام پروژه های انسیس فلوئنت

نکته دیگری که در شکل بالا حائز اهمیت است طول ورودی جریان توسعه یافته و جریان کاملا توسعه یافته است. زمانی که سیال مورد بررسی از ناحیه اول عبور میکند دیگر تغییرات پروفیل سرعت نسبت به x را مشاهده نمی کنیم به همین دلیل در این بخش اثرات لزجت از اهمیت بالایی برخوردار است.
با توجه به شکل بالا مقادیر le یعنی طول ورودی جریان در حال توسعه با توجه به فرمول زیر برای دو جریان آرام و مغشوش بدست می آید.

اگر جریان در لوله به صورت آرام بوده فرمول اول مورد استفاده قرار میگیرد . در غیر این صورت برای جریان های آشفته با توجه به رینولدز جریان مقادیر le بدست می آید. در نتیجه در شبیه سازی عددی و انجام پروژه فلوئنت که در ادامه برروی آن بحث میکنیم میتوانیم با توجه به مقادیر طول ورودی جریان در حالت توسعه یافته درستی شبیه سازی خود را بررسی کنیم.

توجه داشته باشید در جریان هایی که عدد رینولدز آن ها کم و در محدوده ۱۰ هست ، طول بی بعد توسعه یافته بسیار کم بوده و  مقدار آن از  رابطه های بالا محاسبه میشود. ولی برای رینولدز های بالاتر به طور مثال ۲۰۰۰ طول ناحیه توسعه یافته از رابطه زیر بدست می آید.

فرمول محاسبه طول جریان وردوی برای رینولدز های بالا

اما به طور کلی با توجه به رینولدزهای بالا در مکانیک سیالات نمودار رو به رو برای محاسبه  طول  جریان ورودی در انجام پروژه های انسیس فلوئنت مورد استفاده قرار میگرد.

بدست آوردن عدد رینولدز برای انجام پروژه انسیس

برای بدست آوردن عدد رینولدز شما میتوانید از فرمول مطرح شده در ادامه این بحث استفاده کنید همچنین سایت هایی مثل www.CFDonline.com  میتوانند با گرفتن ورودی های تعیین شده برای سیال شما عدد رینولدز را مشخص کنند.

محاسبه سرعت و گرادیان فشار در ناحیه ورودی

محاسبه سرعت و گرادیان فشار در ناحیه ورودی کاری بسیار دشوار می باشد. این همان جایی است که نرم افزارهای شبیه سازی مثل نرم افزار فلوئنت به کمک کاربر آمده و به ما در بدست آوردن این پارامترها کمک می کنند. اما پس از گذر پروفیل سرعت از بخش اول دیگر سرعت وابسته به شعاع بوده و میتوان به صورت دستی سرعت را در هر محل دلخواه با دقت مناسبی محاسبه کرد.

گرادیان های سرعت و فشار برای انجام پروژه دانشجویی با فلوئنت

خب تا این جا به بررسی تئوری جریان در یک لوله پرداختیم. کاری که هرکاربر برای انجام پروژه فلوئنت می بایست انجام دهد تا به یک شبیه سازی دقیق برسد. توجه داشته باشید شبیه سازی بدون در نظر گرفتن مفاهیم و تئوری مساله صرفا رسیدن به یکسری کانتورهای رنگی است که هیچ ارزش علمی نداشته و عملا وقت هدر دادن می­باشد.

پیشنهاد مولف این بوده که قبل از انجام هر پروژه انسیس فلوئنت به بررسی مفاهیم آن بپردازیم و با دیدی باز شروع به شبیه سازی در نرم افزار فلوئنت کنیم. پس از بررسی مفاهیم مربوط به این شبیه سازی حالا میتوانیم مراحل انجام این پروژه در فلوئنت را شروع کنیم.

۱- مدل سازی هندسه ۲۵%

مدل سازی هندسه برای انجام پروژه فلوئنت (جریان در یک لوله ) :

اولین قدم در شبیه سازی یک پروژه در انسیس فلوئنت ، ایجاد مدل هندسی می باشد. خیلی از کاربران بدون توجه به نکات مربوط به این بخش شروع به مدل سازی میکنند. به طور مثال در شبیه سازی جریان در یک لوله در نرم افزار فلوئنت اولین موردی که به ذهن ما رسیده ترسیم یک لوله سه بعدی بوده که در نهایت به جواب درستی نیز خواهیم رسید.

اما هنر یک مهندس در ساده سازی یک مساله بدون تغییر در خروجی آن می باشد به طور مثال با انتخاب راه اول شما میباست هزینه زمانی و پردازشی بسیار زیادی برای این شبیه سازی ساده در فلوئنت خرج کنید ولی اگر  با ابزار axisymmetric در فلوئنت آشنا باشید میتوانید با مدل سازی دو بعدی و تعداد سلول کمتر به جواب های دقیق مدل سازی سه بعدی برسید.

این شرط مرزی زمانی استفاده میشود که هندسه و جریان تقارن محوری داشته باشد. به طور مثال برای شبیه سازی جریان در لوله با توجه به تقارن محوری داشتن هم جریان هم هندسه این شرط میتواند مورد استفاده قرار گیرد. برای شروع مدل سازی انسیس ورک بنچ را باز کرده و با توجه به شکل زیر toolbox مربوط به ایجاد هندسه را تولید میکنیم. ( البته میتوانیم هندسه های خود را از سایر نرم افزارهای شبیه سازی مثل کتیا ، سالیدورک و … نیز وارد کنیم )

انسیس ورک بنچ چیست

برای رسم هندسه در داخل انسیس ورک بنچ شما میتوانید از دو نرم افزار زیر استفاده کنید.

 

روش های ایجاد هندسه در انسیس ورک بنچ برای انجام پروژه های انسیس فلوئنت

ما در این پروژه انسیس فلوئنت از نرم افزار SpaceClaim استفاده میکنیم. همانطور که در شکل زیر مشخص شده است برای این لوله از قطر ۳۰ میلیمتر و طول ۵۰۰ میلیمتر استفاده شده است.   اما با توجه به استفاده از تقارن محوری فقط نصف قطر لوله مدل شده است. با توجه به ساده بودن این پروژه فلوئنت مرحله مدل سازی ما به سادگی با کشیدن یک مستطیل به پایان می رسد . برای هندسه های پیچیده مثل توربین ، هواپیما یا یک اتومبیل مسلما باید در مدل سازی تسلط داشت و زمان زیادی صرف این مورد کنیم .

رسم هندسه پروژه انجام شده با fluent
۲- شبکه بندی هندسه ۵۰%

شبکه بندی هندسه برای انجام پروژه انسیس فلوئنت :

پس از ترسیم هندسه  نوبت به شبکه بندی پروژه فلوئنت مورد نظر می رسد. برای شبکه بندی این هندسه میتوان از دو حالت شبکه سازمان یافته و یا بی سازمان استفاده کرد. اما نکته مهم استفاده از مش لایه مرزی یا به عبارت ساده تر مش مربعی در نزدیک دیوارهای لوله بوده است.  قبل از ایجاد شبکه می بایست آرام یا آشفته بودن جریان مورد بررسی قرار گیرد. اگر سیال استفاده شده در این پروژه هوا در نظر گرفته شود که با سرعت ۱ متر بر ثانیه وارد لوله ما گردد با مراجعه به لینک زیر میتوانیم عدد رینولدز را مشخص کنیم :

چگونگی محاسبه عدد رینولدز برای پروژه های فلوئنت

عدد رینولدز  برابر ۲۰۰۰ بدست می آید که با در نظر گرفتن قسمت ابتدایی این مقاله در ناحیه آرام قرار میگیرد.
برای شبکه بندی این مساله میتوان از دو ماژول ICEM CFD  و یا Ansys meshing  استفاده کرد.  پیشنهاد سردبیر استفاده از نرم افزار icem cfd می باشد چون توضیحات کاملی در صفحه آموزش این ماژول نوشته شده، در انجام این پروژه با فلوئنت از انسیس مشینگ استفاده کردیم.

بدین منظور کافی است نرم افزار مدل سازی خود را بسته و تیک سبز را مشاهده کنید.  سپس از طریق منو سمت چپ انسیس ورک بنچ ماژول مش (mesh) را ایجاد کرده و  با درگ و دراپ کردن هندسه میتوان روابط که به صورت خط در انسیس ورک بنچ نمایش داده میشود را ایجاد کرد. حالا دوبار بر روی مش کیک کنید تا نرم افزار Ansys meshing  باز شود. وارد این بخش شده و شروع به شبکه بندی میکنیم. برای شبکه بندی ، مش سازمان یافته یا مش مربعی در دستور کار قرار میگیرد.

ایجاد مش در انسیس ورک بنچ
نحوه استفاده از انسیس مشینگ

زمانی که نرم افزار انسیس مشینگ باز می شود شما میتوانید شروع به ایجاد شرایط مرزی و شبکه بندی کنید. برای ایجاد شرایط مرزی(Boundary Condition)  در این نرم افزار میتوانید از NameSlection  استفاده کنید کافی است بر روی مرز مورد نظر خود راست کلیک کنید و سپس برای آن یک اسم انتخاب کنید این اسم در قسمت شرایط مرزی نرم افزار انسیس فلوئنت برای شما مشخص میگردد. برای این مساله شرایط مرزی زیر را ایجاد کنید.

شرایط مرزی برای انجام پروژه دانشجویی انسیس

نوع شرایط مرزی در فلوئنت به صورت زیر میباشد:

Boundary Condition

Name

Velocity Inlet

Inlet

Pressure Outlet

Outlet

Wall(No-Slip)

Wall

Axis

Axis

Fluid(air)

Fluid

همانطور که گفته شده برای ایجاد شرایط مرزی برروی خط مورد نظر کیک کنید و آن را با توجه به جدول بالا نام گزاری کنید.

نام گذاری شرایط مرزی پروژه های دانشجویی با فلوئنت

پس از نام گزاری تمام شرایط مرزی در قسمت سمت چپ در زیر شاخه nameselection باید همه این شرایط مرزی مطابق شکل زیر مشخص شده باشد.

نحوه انجام پروژه انسیس

در مرحله بعدی شبکه خود را ایجاد می کنیم. به منظور ایجاد شبکه سازمان یافته از گزینه Face meshing  برای اعمال  بر روی مدل خود استفاده میکنیم.  همچنین سایز شبکه خود را ۱e-3 قرار میدهیم.

برای مش زنی پروژه های انسیس فلوئنت face meshing

پس از بروز رسانی شبکه مش مدل به صورت شکل زیر میشود.

۳- مرحله تحلیل ۷۵%

مرحله تحلیل در انجام شبیه سازی با انسیس فلوئنت

توجه کنید در صورتی که شبکه شما تیک سبز نداشته، روی ماژول انسیس مشینگ راست کلیک کنید و گزینه برروز رسانی را بزنید. با انتخاب transfer data to ماژول fluent را انتخاب می کنیم. برروی Setup کلیک کرده و وارد نرم افزار انسیس فلوئنت میشویم.

حل پروژه با فلوئنت

در قدم بعدی وارد نرم افزار فلوئنت شده و صبر کنید تا شبکه شما داخل این نرم افزار بارگذاری شود. در بخش setup نرم افزار فلوئنت گزینه های مختلفی وجود دارد که هریک رو جداگانه تنظیم میکنیم.

۱- مطابق توضیحات زیر قسمت جنرال General را تنظیم کنید. حل انجام شده برای انجام این پروژه  فلوئنت به صورت pressure base  می باشد. اغلب شبیه سازی های انجام شده در نرم افزار فلوئنت با حلگر فشار مبنا قابل انجام بوده مگر زمانی که تغییرات چگالی به شدت بالا باشد آنگاه از حلگر چگالی مبنا استفاده میکنیم.

توجه داشته باشید در قسمت جنرال تیک مربوط به axisymmetric  را فعال کنید. با توجه به این که نیروی وزن مهم نبوده جاذبه در این شبیه سازی فعال نمی­ شود. توجه کنید در صورت فعال سازی نیروی جاذبه جواب های نهایی تغییر نمی کند.

تنظیمات قسمت جنرال نرم افزار فلوئنت

 ۲- در قسمت بعدی نیاز به تنظیم مشخصات مدل  Models شبیه سازی می باشد در این پروژه فلوئنت با توجه به این که جریان آرام یا laminar است مدل های توربولانسی فعال نمی شود. سایر بخش ها نیز بدون تغییر باقی می ماند.

تنظیم قسمت مدل models در فلوئنت

۳- متریال استفاده شده در این پروژه هوا بوده که با توجه به ماخ زیر یک این شبیه سازی چگالی آن را ثابت فرض میکنیم.

تنظیمات منوی متریال در فلوئنت

۴- اکنون تنظیمات مربوط به شرایط مرزی  boundary conditions را در این پروژه دانشجویی فلوئنت انجام میدهیم. با توجه به جدول ذکر شده برای ورودی شرط مرزی سرعت و برای خروجی شرط مرزی فشار در نظر میگیریم. اما شرط مرزی axis نیز روی محور تقارن قرار میگیرد. برای سرعت ورودی نیز عدد یک متر بر ثانیه را تنظیم کنید.

منوی شرایط مرزی در انجام پروژه با انسیس فلوئنت

۵- حالا به سراغ تنظیم  حلگر یعنی solution methods میرویم . برای این شبیه سازی در فلوئنت از حلگر Simple  با گسسته سازی درجه دوم استفاده می کنیم. و در قسمت Run calculation  تعداد تکرارهای حل را مشخص میکنم. توجه داشته باشید که تعداد تکرارها می بایست به اندازه کافی برای همگرا شدن حل انتخاب گردد. یک عدد تقریبی مثلا ۵۰۰ انتخاب میکنیم و اگر در پایان حل به نتایج درستی نرسیدیم عدد بزرگتری انتخاب میکنیم.

انتخاب حلگر برای حل مسئله فلوئنت
۴- بررسی نتایج ۱۰۰%

مرحله پردازش نتایج در انجام پروژه با فلوئنت

پس از همگرا شدن حل به بررسی نتایج حل می پردازیم. در ابتدا کانتور سرعت مورد بررسی قرار می گیرد. برای مشاهده نتایج از نرم افزار CFDpost یا تک پلات میتوانیم  استفاده کنیم. که سی اف دی پست را انتخاب میکنیم. در شکل زیر کانتور سرعت در طول لوله نشان داده شده است همانطور که می بینیم کانتور سرعت پس از طی مسافت le به صورت کاملا توسعه یافته شده است.

تحلیل انجام پروژه انسیس فلوئنت با cfdpost

در اوایل مقاله توضیح دادیم که پس از طی مسافتی مشخص، پروفیل سرعت در طول لوله تنها برحسب r  تغییر میکند در ادامه این پروفیل در طول لوله رسم گردیده است. همانطور که مشاهده میشود این پروفیل دقیقا مطابق با قسمت اول این مقاله بدست آمده است.  شما میتوانید به منظور اعتبارسنجی این پروژه از روابط تجربی برای بدست آوردن طول ناحیه توسعه یافته استفاده کنید.

اعتبار سنجی نتایج پروژه دانشگاهی انجام شده با انسیس فلوئنت

توجه داشته باشید این انجام پروژه با فلوئنت صرفا جنبه آموزشی داشت و هدف  آموزش انجام یک پروژه ساده در انسیس فلوئنت و  یک مدل سازی درست بود. برای کسب اطلاعات تخصصی و آموزش فلوئنت میتوانید با کلیک بر لینک زیر وارد بخش دوره آموزش فلوئنت ما شوید.

نتیجه گیری کلی مراحل انجام پروژه با فلوئنت

برای یک شبیه سازی موفق در فلوئنت باید مراحل زیر را طی کنید: ۱- بررسی و آنالیز شبیه سازی از نظر تئوری(خواندن مقالات متعدد در حیطه کار) ۲- مدل سازی درست(ساده سازی مدل شبیه سازی و مدل سازی با دید سیالاتی) ۳- شبکه بندی درست(عدم پرش شبکه-استفاده از مش لایه مرزی-بررسی کیفیت شبکه) ۴- تحلیل با توجه به شرایط شبیه سازی ۵- پردازش نتایج(مهمترین بخش یک شبیه سازی بررسی صحت آن میباشد)

آموزش انجام پروژه فلوئنت – چگونگی انجام پروژه با انسیس فلوئنت
۵ (۱۰۰%) ۷ 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