همگرایی در فلوئنت | ویژگی های شبیه سازی همگرا در انسیس فلوئنت (Convergence)

همگرایی در انسیس فلوئنت (Convergence Ansys Fluent )

اطلاع از شرایط همگرایی در انسیس فلوئنت (Convergence) یکی از مهمترین بخش­های هر شبیه سازی عددی می­ باشد. در نرم افزار انسیس فلوئنت، همگرایی با روش­های گوناگونی قابل مشاهده است. یکی از این روش­ مشاهده باقیمانده­ های معادلات حاکم بر مسئله (Residual) است. در دوره آموزش انسیس فلوئنت به صورت کامل این مبحث تدریس شده است اما به علت سوالات دانشجویان در گروه تلگرام مکانیک سیالات تصمیم گرفتیم با یک مقاله تخصصی و فیلم آموزشی مفهوم همگرایی در فلوئنت را به دانشجویان آموزس دهیم.

در نرم افزار فلوئنت به صورت پیش فرض همگرایی یک شبیه­ سازی توسط رسیدن باقی مانده ها به یک حد تعیین شده توسط کابر، مشخص می­گردد. اما باید همیشه این نکته را در نظر داشته باشید که:

“همگرایی در انسیس فلوئنت نمی­تواند بیانگر صحت شبیه سازی باشد”

در فیلم زیر به صورت کامل مفاهیم و شرایط همگرایی در فلوئنت بررسی شده است :

شرایط همگرایی در فلوئنت

اما باقی­ماندها یا Residual در کدام بخش انسیس فلوئنت هستند؟

برای مشاهده باقی مانده ها­ در انسیس فلوئنت کافی است هنگام محاسبه یک شبیه سازی بخش کنسول انسیس فلوئنت را دنبال کنیم. در شکل زیر نمایی از باقی مانده های یک شبیه­ سازی در طول حل نشان داده شده است.

دقت داشته باشید هریک از معادلات حاکم بر شبیه سازی دارای یک باقی مانده می­ باشد و برای رسیدن به همگرایی در فلوئنت می­بایست تمامی معادلات به حد تعیین شده در بخش Residual monitor رسیده باشند.

مفهوم همگرایی شبیه سازی یا Convergence Ansys Fluent چیست ؟

به طور کلی زمانی که یک شبیه سازی در انسیس فلوئنت انجام می­گیرد، کاربر با سه پیام مواجه گردد که عبارتند از :

• Calculation is converged
• Calculation is completed
• Calculation is diverged

با مشاهده پیام­های ذکر شده حل شما متوقف خواهد شد (ممکن است عبارت نمایش داده شده در نسخه های مختلف کمی تغییر کند اما به طور کلی مفهوم یکسان است).

زمانی که کاربر پیام اول را مشاهده می­کند به این معنی است که حل و روند شبیه سازی به همگرایی منجر شده یا به عبارت دیگر مقادیر باقی­مانده ها به مقدار تعیین شده توسط کاربر رسیده و نرم افزار انسیس فلوئنت حل را متوقف می کند.

پیام دوم کمی متفاوت و شاید کمی گمراه کننده باشد. زمانی که کاربر با پیام اتمام محاسبه مواجه می­شود میتواند به این معنی باشد که تعداد تکرارها تعین شده توسط کاربر به اتمام رسیده و حل متوقف شده است. پس لزوما مشاهده پیغام دوم الزامی بر همگرایی شبیه سازی ندارد و ممکن است روند شبیه ­سازی تنها به دلیل اتمام تعداد تکرارهای مجاز تعیین شده توسط کاربر متوقف شده باشد.

اما پیام سوم بسیار واضح بوده و به معنی واگرایی شبیه سازی است. در صورت مشاهده این پیغام باید بخش های مختلف شبیه سازی مثل  شرایط مرزی، حلگر، شبکه بندی و…. را مجددا چک کنید.

با توجه به مطالب ذکر شده می­توان به یک تعریف مناسب از همگرایی در انسیس فلوئنت رسید:

همگرایی فقط معیاری برای اتمام فرایند شبیه سازی است.

به عبارت دیگر حتی مشاهده پیغام Calculation is converged  نیز نمیتواند بیانگر صحت جواب­ های شبیه سازی باشد.

روش دوم برای بررسی همگرایی جواب ها در شبیه سازی

یکی دیگر از راه ­های بررسی همگرایی در فلوئنت (همگرایی به معنی پایداری نتایج) مشاهده تغییرات یک متغیر در تکرارهای حل می­ باشد. شما می­ توانید در طول حل یک یا چندین متغیر را در تکرارهای مختلف بررسی کنید.

برای این کار کافی است در بخش Report definition از بخش new یک یا چندین متغیر را در طول حل انتخاب کنید و در هنگام شبیه­ سازی، تغییرات این متغیرها را بررسی کنید. در صورتی که متغیرهای شما در تکرارهای بالا ثابت بمانند میتوان از پایداری جواب های شبیه سازی اطمینان حاصل کرد.

دقت داشته باشید حتی پایداری نتایج نیز دلیل بر صحت جواب های یک شبیه سازی نمی­تواند باشد. و بررسی مسائلی مثل استقلال از شبکه، استقلال از گام زمانی و اعتبارسنجی بخش بسیار مهمی از یک شبیه­ سازی عددی است.

یکی از راه­های بررسی صحت جواب­ های شبیه سازی پس از اطمینان از رسیدن به همگرایی در فلوئنت ، اعتبارسنجی نتایج با استفاده از داده های آزمایشگاهی یا داده­ های یک مقاله معتبر ISI می باشد که در دوره آموزش انسیس فلوئنت CFDgroup به خوبی این مورد آموزش داده شده است.

حتما بخوانید

دوره آموزش فلوئنت

23 ساعت

چند نکته برای رسیدن به همگرایی در انسیس فلوئنت

1- یکی از مسائلی که ممکن است همگرایی در فلوئنت را با مشکل مواجه کند ابعاد استفاده شده برای دامنه محاسباتی در شبیه سازی جریان های خارجی است. ابعاد دامنه محاسباتی برای جریان های خارجی به صورت زیر پیشنهاد می شود:

در جریان های خارجی فاصله مرز خروجی از هندسه باید 10 برابر طول مشخصه باشد. طول مشخصه به طولی گفته می شود که جریان بر روی هندسه طی می کند .برای درک بهتر طول مشخصه بهتر است مثال های زیر را باهم بررسی کنیم:

• طول مشخصه در شبیه سازی جریان بر روی یک خودرو را می توان طول خودرو در نظر گرفت.
• طول مشخصه در شبیه سازی جریان بر روی ایرفویل برابر است با طول کورد ایرفویل
• طول مشخصه در شبیه سازی جریان بر روی یک سیلندر برابر است با قطر سیلندر
• طول مشخه برای شبیه سازی جریان بر روی یک مستطیل به ابعاد a*b  برابر است با اندازه b

2- استفاده از شرایط مرزی درست در شبیه سازی اثرات چشمگیری بر روی همگرایی شبیه سازی دارد. به همین دلیل برای انجام یک شبیه سازی موفق در نرم افزار انسیس فلوئنت بهتر است ابتدا به بررسی یک مقاله ISI که نزدیک یا مشابه شبیه سازی شما است، بپردازید.

3- نحوه استفاده از حلگرها یا به طور کلی استفاده از بخش solution انسیس فلوئنت و تعیین خواص ماده نیز بسیار حائز اهمیت است. به طور مثال در شبیه سازی انتقال حرارت جا به جایی طبیعی،  یکی از راه حل ها برای رسیدن به همگرایی، تبدیل شبیه سازی به یک مسئله وابسته به زمان است. علاوه بر این میبایست چگالی متغیر با دما انتخاب شود و استفاده از چگالی ثابت منجر به واگرایی می شود.

4- تغییر گسسته سازی معادلات یکی دیگر از تکنیک های همگرایی است. مجددا شبیه سازی انتقال حرارت جا به جایی طبیعی را در نظر بگیرید. در این شبیه سازی در صورتی که برای معادله فشار از گسسته سازی Standard استفاده شود، منجر به جواب های نادرست در نزدیکی مرزهای جامد می شود. بدین منظور بهتر است برای گسسته سازی فشار از Body force weight یا Presto استفاده شود.

5- یکی دیگر از تکنیک های رسیدن به همگرایی در انسیس فلوئنت، روش های ساده سازی و شبیه سازی قدم به قدم می­ باشد. به طور مثال شبیه سازی جوشش هسته در داخل یک لوله را در نظر بگیرید. برای این شبیه سازی میتوان ابتدا فیلد جریان را شبیه سازی کرد و پس از آن به سراغ بررسی تبخیر برویم. (دقت داشته باشید پس از بررسی فیلد جریان نباید شبیه سازی را مجددا مقدار دهی اولیه یا Initialize کرد)

6- مقداردهی اولیه یا Initialize میتواند موجب همگرایی بهتر شبیه سازی در انسیس فلوئنت شود. به عبارت دیگر استفاده از حدس اولیه نزدیک به جواب موجب همگرایی آن در تعداد تکرارهای کمتر می شود. انسیس فلوئنت برای مقدار دهی اولیه روش های متفاوتی دارد که استفاده از هر کدام از آن ها بسته به شرایط مسئله و نوع شبیه سازی متفاوت است. به طور مثال در شبیه سازی توربوماشین ها پیشنهاد می­شود از روش hybrid استفاده شود.