تعامل سازه و سیال FSI
تعامل سازه و سیال (Fluid Structure Interaction) یا به اختصار FSI به حالتی گفته میشود که یک جریان سیال دچار فعل و انفعالاتی با بدنه‌ی یک سازه‌ی جامد شود. اعمال کردن بار حرارتی و یا فشاری توسط سیال به یک جسم جامد از جمله مواردی است که میتواند بین سازه و سیال اتفاق بیوفتد. این فعل و انفعال میتواند باعث تغییر شکل سازه شود. سازه ممکن است به دلیل نیروهای خارجی، حرکت جریان سیال یا اعمال بارهای حرارتی از طرف سازه به سیال، تغییر شکل دهد یا حرکت دهد. گاهی این تغییر شکل به قدری بزرگ است که حتی ماهیت جریان سیال را میتواند تحت تأثیر قرار بدهد. به حالتی که تغییر شکل سازه باعث تغییر ماهیت جریان سیال میشود، تقابل دو طرفه (۲-way interaction) گفته میشود؛ همچنین حالتی که تغییر شکل سازه، تاثیری بر جریان سیال ندارد، تقابل یک طرفه (۱-Way interaction) نامیده میشود.
در بازار جهانی رقابتی امروز، موفقیت یا شکست محصول شما ممکن است بستگی به چگونگی رفتار متقابل بین سیالات و ساختارها داشته باشد. در حالی که نرم افزار CFD معمولی این تعاملات را نادیده می گیرد، نرم افزار ANSYS به مهندسان کمک میکند تا به مفهوم عمیق‌تری در تعاملات سازه-سیال در محصول خود،به منظور رسیدن به یک طراحی بهینه، دست پیدا کنند.
در استفاده از این روش شما باید به محیط های انسیس فلوئنت و انسیس مکانیکال نیاز خواهید داشت.
برای آموزش مفاهیم تعامل سازه-سیال و شبیه سازی آن در نرم افزارهای انسیس مکانیکال و فلوئنت، دوره‌ی آموزشی ” از مبتدی تا حرفه‌ای در انسیس فلوئنت” در بخش فروشگاه آموزشی را پیشنهاد میکنیم.
چرا کوپل سازه و سیال مهم است؟
انتخاب مواد، خستگی ، عوامل موثر بر جریان سیال و پارامترهای ساختاری و غیره از جمله چالش‌هایی است که مهندسین با آنها درگیر هستند. بررسی تعامل سازه سیال کمک میکند که اطلاعات لازم برای رفع کردن چالش‌های مطرح شده در اختیار مهندسین قرار بگیرد. از دیگر مزیت‌های بررسی تعامل سازه و سیال میتوان به بهبود در طراحی اشاره کرد.
روش‌های مدلسازی مسائل سازه سیال به کمک انسیس فلوئنت و انسیس مکانیکال
بر اساس اتصالات فیزیکی که بین سیال و جامد وجود دارد، تعامل سازه و سیال یا (FSI) را می توان طبقه بندی کرد. سوالی که اینجا مطرح میشود این است که چه میزان یک محیط به تغییر پیدا کردن در یک محیط دیگر حساس است؟
اگر محیط های مورد بررسی از نظر فیزیکی دارای اتصالات محکمی باشند و نسبت به تغییرات حساس باشند، برای حل این محیط ها، به اتصال یا جفت سازی عددی خیلی قوی نیاز داریم که معمولا حل کردن این مدل‌ها بسیار سخت و دشوار است.
محیط هایی که نسبتاً مستقل از یکدیگر هستند و با تغییر یک محیط، محیط دیگر دچار تغییر نمیشود را میتوان با جفت سازی عددی ضعیف نیز حل کرد (تقابل یک طرفه). حتی میتوان از روش‌های عددی که جفت سازی و اتصال را در نظر نمیگیرند نیز استفاده کرد.
در تصویر زیر میتوان مثال‌ها و روش‌های اتصال فیزیکی مناسب هر مدل را مشاهده کرد.
همانطور که اشاره شد میتوان از تقابل یک طرفه و یا دو طرفه برای شبیه سازی‌های مسائل تعامل سازه و سیال استفاده کرد.
در تقابل یک طرفه جواب بدست آمده از یک محیط به عنوان شرایط مرزی و یا یک نیروی خارجی برای محیط دوم در نظر گرفته میشود. این روش برای جفت سازی عددی ضعیف، کاربرد دارد. به عنوان مثال، از نتایج دینامیک سیالات محاسباتی میتوان حداکثر تنش های ساختاری را به دست آورد، اما نیروهای کششی به اندازه کافی قابل توجه نیستند که بتوانند نتایج CFD را تحت تأثیر قرار دهند. از دیگر ویژگی‌های تقابل یک طرفه میتوان به انتقال خودکار اطلاعات بین انسیس مکانیکال Ansys Mechanical و انسیس فلوئنت Ansys Fluent اشاره کرد که همین امر شبیه سازی را آسانتر میکند.
تقابل دو طرفه به دو بخش ضمنی (Implicit) و صریح (Explicit) تقسیم بندی میشود. روش ضمنی خود به دو زیر شاخه کامل جفت شده (Fully Coupled) و تکراری (Iterative) تقسیم میشود.
روش ضمنی کامل جفت شده، معادلات سیال و جامد را در یک ماتریس یکپارچه حل میکند. این روش دقیقاً مانند حل کردن معادلات مومنتوم و فشار در فلوئنت است؛ زمانی که از حلگر جفت (Couple) استفاده میشود. در انسیس مکانیکال Ansys Mechanical با استفاده از روش المان‌های جفت شده (Coupled field elements) نیز میتوان معادلات را مشابه با آنچه که در بالا توضیح داده شد، حل کرد. از دیگر ویژگی این روش میتوان به کامل جفت و متصل بودن محیط ها اشاره کرد. حل یک ماتریس سازه- سیال یکپارچه بسیار دشوار است و همچنین این روش با اتصال Mechanical-Fluent در دسترس نیست.
در روش ضمنی تکراری، معادلات سازه و سیال در هر گام زمانی برای رسیدن به یک جواب مطلق، تکرار میشوند. این روش معادلات سیال و جامد را جداگانه حل میکند (مانند حل کردن معادلات آشفتگی در فلوئنت). این روش با اتصال Mechanical-Fluent در دسترس میباشد.
روش صریح بسیار شبیه به روش ضمنی تکراری میباشد؛ با این تفاوت که معادلات سازه و سیال در هر گام زمانی تکرار نمی‌شوند. در این روش برای رسیدن به یک جواب منطقی از اطلاعات یک محیط در گام زمانی قبلی استفاده میشود. در واقع این روش بستگی به این دارد که کدام معادله اول حل میشود، یعنی اگر اول معادلات محیط جامد حل شوند، معادلات بخش سیال وابسته به اطلاعات محیط جامد در گام زمانی قبلی هستند و اگر اول معادلات محیط سیال حل شوند، معادلات محیط جامد وابسته به اطلاعات میدان سیال در گام زمانی قبلی می‌باشند. این روش مدلسازی را میتوان با استفاده از اتصال تکراری منفرد (Single coupling iteration) در فلوئنت – مکانیکال Mechanical-Fluent پیاده سازی کرد؛ هرچند که این روش خیلی پیشنهاد نمیشود. روش صریح معمولاً به گام‌های زمانی کوچکتر نیاز دارد.
روش ضمنی در مقابل صریح در مسائل FSI
اولین نکته‌ای که باید به آن توجه کرد این است که روش صریح و ضمنی گفته شده در مباحث تعامل سازه و سیا،ل نباید با حلگرهای ضمنی و صریحی که فلوئنت از آنها استفاده میکند، اشتباه گرفته شود. حلگرهای ضمنی و صریح، در واقع به صریح یا ضمنی بودن فرمول ترم‌های گذرای موجود در معادلات اشاره میکند.
در حوزه مربوط به تعامل سازه و سیال، روش صریح به این معنا میباشد که معادلات میدان سیال و جامد جداگانه حل میشود و در گام زمانی، جفت سازی یا اتصالی بین معادلات صورت نمی‌گیرد.
روش ضمنی به معنای جفت کردن و اتصال بین میدان‌های سیال و جامد است که معادلات سیال و سازه در یک گام زمانی همگرا میشوند (ضمنی-کامل جفت شده و ضمنی-تکراری).
چند نکته مهم در حل مسائل سازه و سیال به کمک انسیس فلوئنت و انسیس مکانیکال
- هنگام در نظر گرفتن یک رویکرد صریح، باید اطمینان داشته باشیم که اتصال ضعیف است و یا گام زمانی آن به اندازه کافی کوچک است که در اولین تکرار، پاسخ صحیح را دریافت خواهیم کرد.
- هنگام استفاده از یک رویکرد ضمنی، تصور میکنیم که در تکرار اول جواب درستی نخواهیم گرفت. بنابراین با استفاده از روش‌های تکراری (سعی و خطا)، مقادیر به دست آمده را بروزرسانی میکنیم؛ این روند تا دستیابی به یک همگرایی کامل ادامه خواهد یافت.
- حل‌های ضمنی می‌توانند دقت بالاتری داشته باشند.
- از گام‌های زمانی بزرگتر میتوان در رویکرد ضمنی استفاده کرد.
- نرم افزار انسیس از روش ضمنی تکراری استفاده میکند.
برای آموزش مفاهیم تعامل سازه سیال FSI و شبیه سازی آن در نرم افزارهای انسیس مکانیکال و فلوئنت، دوره‌ی آموزشی ” از مبتدی تا حرفه‌ای در انسیس فلوئنت” در بخش فروشگاه آموزشی را پیشنهاد میکنیم.
