آموزش دینامیک مش در فلوئنت – آموزش 6DoF در انسیس فلوئنت – ANSYS FLUENT

دینامیک مش یا مش متحرک یکی از قابلیت های مهم و پر کاربرد در نرم افزار انسیس فلوئنت می باشد. به عنوان مثال به منظور شبیه سازی حرکت رفت و برگشتی پیستون یا حرکت یک جسم در دامنه سیال از مش متحرک یا دینامیک مش استفاده می شود . اما استفاده از این قابلیت نیاز به فراگرفتن اموزش دینامیک مش و تجربه بالای کاربر دارد و در صورت عدم آگاهی از روند شبیه سازی مشکلات فراوانی را تجربه خواهید کرد. به همین علت کامل ترین دوره آموزش دینامیک مش در فلوئنت ( صفر تا صد ) برای رفع نیاز مهندسین و دانشجویان گرامی با تاکید بر بررسی تخصصی قسمت و روش های مختلف آن تهیه شد.

دوره آموزش دینامیک مش در فلوئنت ( صفر تا صد )

با توجه به اینکه بسیاری از مسایل حوزه مکانیک سیالات مخصوصا پروژه های صنعتی مثل حرکت توربین ، حرکت کشتی ، حرکت اتومبیل و حتی مواردی مثل شلیک گلوله و سقوط پرتابه نیازمند شبیه سازی در محیط دینامیک مش فلوئنت می باشد. اگر قصد دارید این مسایل پیچیده را به راحتی تحلیل و در انسیس فلوئنت حرفه ای شوید باید آموزش دینامیک مش را فرا بگیرید.

سرفصل های دوره آموزش دینامیک مش در انسیس فلوئنت:

درس اول :

در گام نخست به معرفی Dynamic Mesh in Ansys Fluent و مباحث کلی نظیر تفاوت معادلات حاکم بر مش استاتیک و دینامیک ، محدودیت ها و سازگاری ها، انتخاب گام زمانی و… می پردازیم . همچنین در این بخش اثرات استفاده از دینامیک مش انسیس فلوئنت بر جواب های نهایی و جلوگیری از shear layer  ایجاد شده بر اثر حرکت دیوارهای متحرک بررسی می شود.

سپس روش layering  برای حرکت مرز های صلب توضیح داده می شود. این روش را میتوان یکی از بهترین متودها برای حرکت مرزهای متحرک دانست. در این جلسه بخش های مختلف این روش از جمله تفاوت در اعمال height base  و Ratio Base  و چگونگی تنظیم cell height  برای حرکت مرز صلب بررسی گردیده است.

در انتهای این جلسه نیز با استفاده از یک مثال نحوه استفاده از پروفیل و ساختار آن به صورت کامل شرح داده شده است. کاربران با استفاده از پروفیل سرعت میوانند بدون نیاز به معادله حرکت و UDF و فقط با وارد کردن داده های سرعت زمان، حرکت مرزهای متحرک را مشخص کنند.

درس دوم : 

در بخش دوم آموزش دینامیک مش در انسیس فلوئنت، روش  Smoothing  و معادلات حاکم بر این روش بررسی می شود. در این روش بر خلاف متدهای دیگر، حرکت مرز توسط شبکه جذب می شود و نود ها در طول مسیر به وجود یا از بین نمی روند. همچنین در طول این جلسه نیز زیر شاخه های  این روش مانند :

1. Spring
2. Diffusion
3. Linearly elastic solid smoothing

به صورت کامل بررسی شده است. یکی از بخش های مهم و ویژه در این جلسه بررسی نحوه استفاده از  Geometry definition  می­ باشد. در درس دوم از دوره دینامیک مش در فلوئنت ، این بخش با استفاده از مثال های متفاوت بررسی شده تا به صورت کامل نحوه استفاده و کاربرد آن برای کاربران مشخص شود.

یکی دیگر از بخش های مهم این جلسه چگونگی کنترل شبکه لایه مرزی در مرزهای متحرک میباشد. در این بخش با استفاده از یک مثال چگونگی حفظ لایه مرزی در حین حرکت مرز به صورت کامل آموزش داده شده است.

درس سوم : 

در بخش سوم دوره آموزشی مش متحرک در فلوئنت به بررسی روش Remeshing  پرداخته می شود. در این روش بر خلاف روش قبلی، شبکه در طول مسیر حرکت جسم  ایجاد می شود یا از بین می­رود. در طول این جلسه بخش های زیر به صورت کامل پوشش داده شده است :

• Local Cell
• Zone remeshing
• Local face
• Region face
• 5D

علاوه بر این با استفاده از مثال های متفاوت نحوه تنظیمات شبکه برای ایجاد یک مش متحرک مناسب با استفاده از Size Function  آموزش داده شده است.

بخش چهارم :

یکی از مواردی که در شبیه سازی های دینامیک مش مورد استفاده قرار میگیرد الگوریتم 6DOF یا شش درجه آزادی می باشد. در ابتدا مفهوم شش درجه آزادی و کاربرد آن  و سپس نحوه استفاده از آن با استفاده از نرم افزار فلوئنت و UDF نویسی آموزش داده شده است.  علاوه برآن، با توجه به نیاز کاربران به استفاده از UDF برای به کارگیری 6DOF  ، به بررسی انواع ماکرو های این الگوریتم پرداخته شده است.

اما یکی دیگر از برتری های این دوره، آموزش به کارگیری Contact detection می باشد. در این بخش با استفاده از یک مثال چگونگی شبیه سازی برخورد یک جسم با استفاده از UDF آموزش داده شده است.

بخش پنچم :

با توجه به اهمیت یو دی اف در دینامیک مش، بخش پنجم آموزش معطوف به ماکروهای مورد نیاز کاربران می شود. در این بخش ساختار ماکروهای زیر شرح داده شده است:

• UDF and Profile for Dynamic Mesh
• DEFINE_GEOM description
• DEFINE_CONTACT Macro

علاوه بر این، این بخش شامل استفاده از Event  در هنگام استفاده از دینامیک مش می باشد. با استفاده از Event در انسیس فلوئنت میتوان در طول روند شبیه سازی دستورات مختلفی مانند تغیر نوع مرز، تغیر یک زون، تغیر نوع شبکه بندی و… را انجام داد .

بخش ششم :

بخش پایانی دوره مش متحرک در انسیس فلوئنت مربوط الگوریتم Overset در انسیس فلوئنت می شود. با استفاده از این بخش کاربران میتوانند بدون نیاز به اپدیت شدن شبکه، حرکت مرزهای صلب خود را مدل کنند. در طول این جلسه ابتدا مفهوم اور ست در دینامیک مش فلوئنت به صورت کامل برای کاربران توضیح داده شده و سپس با استفاده از یک مثال مفاهیم Donor، Solver، Receptor، Orphan و Dead  توضیح داده شده است.  همچین در طول آموزش با استفاده از یک مثال چگونگی بارگذاری چندین شبکه با استفاده از ورک بنچ و همچنین بدون نیاز به ورک بنچ بیان شده تا کابران با استفاده از دو روش مطرح شده به راحتی بتوانند شبکه های هدف خود را با روش Overset  ایجاد کنند.

پروژه های آموزشی دوره دینامیک مش در انسیس فلوئنت

در دروه پیش رو  علاوه بر مثال های کاربردی حین تدریس بخش های مختلف، از پروژه های آموزشی پیشرفته ای نیز برای افزایش سطح یادگیری کاربران استفاده شده است. در ادامه به بررسی این پروژه ها می پردازیم:

شبیه سازی حرکت Rotation  و Revolution  با استفاده از روش Layering

در این بخش به منظور یادگیری عمیق تر روش Layering  و همچنین Relative motion  به شبیه سازی حرکتی شبیه گردش زمین به دور خود و دور خورشید پرداخته شده است. اهداف انجام این پروژه دینامیک مش یادگیری موارد زیر می باشد :

1. استفاده از روش لیرینگ در حرکت های چرخشی
2. استفاده از Relative motion در شبیه سازی مش متحرک
3. استفاده از یو دی اف های Cg_motion
4. تفاوت استفاده از Ratio base و height base

شبیه سازی پمپ با استفاده از روش Remeshing  و به کارگیری 2.5D Method

یکی دیگر از پروژه های آموزشی دوره دینامیک مش شبیه سازی پمپ با استفاده از روش D2.5 است. اهداف این آموزش شامل :

1. استفاده از روش Remeshing
2. استفاده از روش D5 و همچنین شرایط استفاده از این روش
3. شبکه بندی با استفاده از روش Swept

شبیه سازی پرتاب یک توپ با استفاده از الگوریتم SDOF  و Contact Detection

در این شبیه سازی با استفاده از حرکت شش درجه آزادی حرکت یک توپ با سرعت اولیه با دو درجه آزادی بررسی شده است. با مشاهده این بخش موارد زیر را فرا خواهیم گرفت:

1. نحوه استفاده از یو دی اف نویسی و ایجاد درجه آزادی برای اجسام صلب
2. استفاده از Contact Detection و جلوگیری از ایجاد خطای حجم منفی
3. استفاده از روش های Smoothing Remeshing

شبیه سازی پاندول رفت و برگشتی با استفاده از الگوریتم SDOF

در این شبیه سازی با استفاده از روش های Remeshing  و Smoothing حرکت رفت و برگشتی یک پاندول در جریان سیال آب شبیه سازی شده است. هدف از انجام این پروژه موارد زیر می باشد:

1. نحوه محاسبه ممان اینرسی ،جرم و سایر خصوصیات فیزیکی یک هندسه در ورک بنچ
2. نحوه محاسبه مرکز جرم در انسیس فلوئنت
3. نحوه استفاده از متد های Remeshing و Smoothing
4. نحوه به کارگیری 6DOF

توضیحات اموزش دینامیک مش در Ansys fluent :

در ادامه به بررسی روش های موجود برای شبیه سازی حرکت یک جسم صلب در دامنه سیال پرداخته شده است.

• Smoothing
• Remeshing
• Layering

دینامیک مش با استفاده از روش Smoothing

معادل فارسی این روش هموارسازی بر پایه مجموعه فنر بوده و این الگوریتم قابلیت استفاده بر روی هر نوع شبکه دلخواه را دارد. اما کاربرد اصلی آن برای شبکه های چهاروجهی در حالت سه بعد و سه گوش در حالت دو بعدی است. در حالت کلی برای استفاده از هموارسازی فنری می بایست شرایط خاصی رعایت گردند که به طور کامل در دوره آموزش دینامیک مش به آن پرداخته شده است. لازم به ذکر است این الگوریتم به تنهایی توانایی شبیه سازی حرکت طولانی را نداشته و بیشتر برای حرکت های نوسانی با دامنه نوسان کوتاه مورد استفاده قرار می­گیرد.

مزایا و معایب روش دینامیک مش Smoothing

1.   همخوانی با مش سازمان یافته و بی سازمان
2.  نامناسب بودن برای حرکت ها با دامنه زیاد
3.  هزینه محاسباتی بالا در مقایسه با روش Layering
4.  کاهش کیفت شبکه در طول حل در مقابل روش لایه بندی دینامیکی یا layering

پارامترهای مهم در روش Smoothing

1- spring/laplace/boundry layer:

در صورت استفاده از روش Smoothing  برای حرکت دادن مرز متحرک میبایست پارامترهای که درشکل زیر نشان داده شده است تنظیم گردد. به طور مثال در این متد کاربر میتواند با مشخص کردن ضریب سختی صفر برای شبکه ،  حرکت نودها را به المان های شبکه در نقاط دور دست منتقل کند . یا با تعیین ضریب سختی یک برای شبکه حرکت مرز متحرک توسط المان های نزدیک آن جذب شده و دیگر تاثیری روی المان­های بیرونی ندارد. که در دوره اموزش دینامیک مش به تفصیل به توضیح این موارد می پردازیم.

1.  تعیین ضریب سختی شبکه میتواند بین مقدار صفر تا یک قرار بگیرد.
2.  باقی مانده های معادله فتر در هر تکرار.
3.  تعداد تکرار داخلی معادله بر پایه فنر (برای شبکه های سه بعدی با تعداد المان های بالا بهتر است این مقدار زیاد گردد).
4.  تعیین عملکرد معادله فنر برروی قسمت های مشخص شبکه.

البته برای استفاده از این روش پیشنهاد می­شود که از ضریب سختی ضفر برای حرکت مرزهای متحرک خود استفاده کنید. با تعیین این مقدار کیفیت شبکه در نقاط اطراف مرز متحرک کاهش نمیابد.

2- پارامترهای مهم در روش Diffusion

این روش دارای پارامتری به نام دیفیوژن بوده که کاربر با تنظیم آن میتواند حرکت مرز متحرک را به المان های دور دست یا المان های نزدیک مرز متحرک انتقال دهد. مقدار این پارامتر بین صفر تا سه قرار میگیرد لازم به ذکر است  که در روش diffusion در دینامیک مش برای مشاهده حرکت شبکه حتما در ابتدا باید initialize انجام گیرد زیرا در این روش از سرعت المان­های شبکه برای حرکت نود ها استفاده میگردد.

3- پارامترهای مهم در روش Elastic Solid

به مانند دو روش بالا در این بخش نیز کاربر میتواند ضریب پاسوون شبکه را تنظیم کند تا حرکت نودها را به المان­های دور دست انتقال دهد. این پارامتر میبایست بین -1 تا 0.45 تنظیم گردد.
روش های مذکور برای حرکت دورانی یا خطی طولانی مناسب نبوده و بیشتر به منظور شبیه سازی های رفت برگشتی، ارتعاشاتی یا هارمونیک مورد استفاده قرار می­گیرد.

دینامیک مش با استفاده از روش Remeshing

نام دیگر این روش روش هموارسازی لاپلاسی بوده که از ساده ترین روش های هموارسازی می باشد. این روش در گام های زمانی جدید تلاش می کند موقعیت هر نقطه را در مرکز هندسی نقاط مجاور اش قرار دهد هرچند این روش از نظر محاسباتی کم هزینه است می‌تواند در برخی از مواقع به شبکه‌های با کیفیت پایین منجر شود. به منظور غلبه بر این مشکل نرم افزار فلوئنت  در مواقعی یک نقطه را طبق این روش جابه‌جا می‌کند که با جابجایی آن کیفیت شبکه به طور مثال خوابیدگی آن بهبود می یابد.

روش remeshing در دینامیک مش برای شبیه سازی هایی با دامنه حرکتی زیاد بوده و میتوان از آن برای حرکت مش یک جسم در فواصل زیاد استفاده کرد. لازم به ذکر است برای کنترل کیفیت مش در این روش از الگوریتم Smoothing  نیز استفاده می­شود.  نحوه صحیح استفاده از روش remeshing نیز به صورت کامل در دوره اموزش دینامیک مش خدمت عزیزان بیان می گردد.

مزایا و معایب روش دینامیک مش remeshing

1.  مناسب برای حرکت مش در فواصل زیاد
2.  کنترل کیفیت مش در طول مدت زمان شبیه سازی
3. عدم سازگاری با مش سازمان یافته یا مش مربعی در انسیس ورک بنچ

دینامیک مش با استفاده از روش Layering

این روش به روش لایه بندی دینامیکی معروف بوده هنگامی که شبکه مجاور سطح متحرک از نوع منشوری و یا شش وجهی در حالت سه بعدی، و چهارگوش در حالت ۲ بعدی می باشد می توان از روش لایه بندی دینامیکی استفاده کرد. اساس این روش حذف و یا افزودن یک لایه به سلول های منشوری شش وجهی و یا چهارگوش مجاور سطح جابجا شده می باشد.

مزایا و معایب روش دینامیک مش layering

1.  عدم کاهش کیفیت شبکه در طول زمان شبیه سازی
2.  هزینه محساباتی کم در مقابل با روش های Smoothing و Remeshing
3. سازگار با روش شبکه بندی سازمان یافته با شبکه مربعی در انسیس ورک بنچ

پارامترهای مهم در روش Layering
این روش متناسب با شبکه های بی سازمان بوده و کاربر میتواند حرکت­های خطی و دورانی را با به کارگیری این layering شبیه سازی کند. دو پارمترنشان داده شده در شکل زیر مربوط به معادلات استفاده شده در این الگوریتم بوده که معادلات آن به طور کامل در نرم افزار فلوئنت و همچنین در دوره اموزش دینامیک مش آورده شده است.

برای استفاده از این الگوریتم شما میباست حتما ارتفاع ایده آل شبکه را تنظیم کنید در غیر این صورت با خطای حجم منفی در نرم افزار فلوئنت مواجه میشوید.

محدودیت های روش لایه بندی دینامیکی

تمامی سلول های مجاور مرز متحرک می‌بایست از نوع شش وجهی و یا منشوری در حالت سه بعدی ، و چهار گوش در حالت دو بعدی باشد . تنها سلول های مذکور در حالت دو بعدی  و سه بعدی می تواند تشکیل یک لایه دهند.

الگوریتم SDOF  یا حرکت شش درجه آزادی در فلوئنت و دینامیک مش

در قسمت های قبل درباره الگوریتم های دینامیک مش در فلوئنت توضیح داده شد.  اما گاهی نیاز داریم تا حرکت آزادانه یک جسم را در نرم افزار انسیس ورک بنچ شبیه سازی کنیم ، در این مواقع باید  با استفاده از الگوریتم SDOF  یا  Six Degree of Freedom  این دسته از شبیه سازی ها را انجام دهیم.

فرض کنید بخواهیم سقوط آزاد یک جسم را تحت نیروی وزن خود در یک سیال شبیه سازی کنیم. با توجه به اینکه گوی سرعت ثابتی ندارد و در هر لحظه از زمان سرعت جسم متغییر است ، باید از الگوریتم Sdof  استفاده کنیم.

برای کار با الگوریتم شش درجه آزادی در فلوئنت نیاز به استفاده از کد یو دی اف ( UDF ) داریم و با توجه به نوع شبیه سازی میبایست مشخصات جسم صلب مانند وزن، ممان اینرسی و…  وارد نرم افزار فلوئنت کنیم. در دوره آموزش دینامیک مش در فلوئنت سعی شده با حل یک پروژه دانشجویان به خوبی با نحوه استفاده از sdof  و شش درجه آزادی و همچنین یو دی اف ها و کامپایل کردن آن ها آشنا شوند.

چند نمونه از موارد استفاده از SDOF در  Ansys Fluent

1.  شبیه سازی سقوط آزاد یک جسم در انسیس فلوئنت
2.  ارتعاش سیلندر  تحت نیروی جریان (Vortex induced Vibration)
3.  شبیه سازی توربین بادی در فلوئنت

دینامیک مش با استفاده از الگوریتم Overset

یکی از مشکلات بزرگ استفاده از دینامیک مش در فلوئنت خطای حجم منفی یا Negative volume می باشد . از اینرو در نسخه  17 به بعد در نرم افزار انسیس فلوئنت قابلیت جدیدی  به اسم overset  به دینامیک مش اضافه شد. شما با استفاده از این قابلیت میتوانید جسم صلب خود را بدون نیاز به از بین رفتن یا تولید مجدد شبکه در طول حل شبیه سازی کنید.

اما توجه داشته باشید که استفاده از قابلیت overset  نیازمند شبکه بندی یا مش زدن صحیح هست و در صورتی که بین دو شبکه متحرک و ثابت شما پرش نود وجود داشته باشد ، داده های حاصل از شبیه سازی قابل اطمینان نمی باشد. در دوره آموزش دینامیک مش با شیوه صحیح مش زنی برای استفاده ازین الگوریتم آشنا خواهید شد.

مزایا و محدودیت های روش overset در دینامیک مش

1. عدم از بین رفتن یا تولید شبکه
2. سازگاری با هر دو نوع مش سازمان یافته و بی سازمان
3.  در روش overset  قسمت متحرک نمیتواند شامل جسم جامد باشد.
4.   شبکه بندی شما نمیتواند دارای مرزهای اینترفیس یا interface باشد.
5.  استفاده از مرز پردیویک یا periodic مجاز نیست.
6.  استفاده از couple wall  در روش overset  برای مجاز نیست.
7.  در این روش شما نمی توانید از الگوریتم های Remeshing  یا layering  استفاده کنید.

پس از پایان دوره آموزش دینامیک مش در فلوئنت دانشجویان عزیز به کلیه مباحث اشاره شده در توضیحات تسلط کامل پیدا خواهند کرد.

روش های مرز لغزان(Sliding mesh)

یکی دیگر از روش های که در نرم افزار انسیس فلوئنت برای شبیه سازی مرزهای متحرک Dynamic mesh  مرز لغزان می­باشد. در این روش شما با ایجاد مش های non-conformal  مرزهای متحرک را شبیه سازی می­کنید. در کنار مزیت های این روش (عدم ایجاد حجم منفی به واسطه حرکت شبکه) معایبی نیز وجود خواهد داشت که شامل کاهش دقت حل در مرزهای اینترفیس می­باشد. برای استفاده از این روش توجه به این نکته که شبکه در دو سوی مرز اینترفیس دارای اندازه نسبی یکسان باشد بسیاز حائز اهمیت است.

چگونگی دانلود فیلم های اموزش دینامیک مش:

با توجه به پایان دوره آموزش دینامیک مش در انسیس فلوئنت ، دانشجویانی که قصد تهیه فیلم های آموزشی را داشته باشند، می توانند با خرید دوره آموزش دینامیک مش در فلوئنت ، تمامی لینک های دانلود را  به صورت یکجا دریافت کنند.

توضیحات زیر برای دانشجویان شرکت کننده در دوره مجازی بیان شده و اکنون با توجه به پایان دوره، امکان دریافت تمامی فیلم های آموزشی دینامیک مش در فلوئنت وجود دارد:

اموزش دینامیک مش در این دوره به صورت فیلم های ضبط شده در اختیار دوستان قرار میگیرد و دانشجویان عزیز می توانند این فایل ها را در زمان دلخواه دانلود و همیشه از آن ها استفاده کنند. در طول برگزاری دوره که سه هفته می باشد با عضویت در گروه مخصوص دوره دینامیک مش علاوه بر دریافت فایل های دانلودی، سوالات عزیزان توسط استاد کلاس پاسخ داده می شود.

به علت تخصصی بودن مطالب ، هر هفته دو جلسه آموزشی برگزار ( دو ویدئو آموزشی به شما تحویل  داده می شود ) و  فایل ها و پروژه های تمرینی به عنوان تکلیف در اختیار دانشجویان قرار می گیرد تا با مشاهده ویدئو و انجام تمارین به تسلط کافی در زمینه دینامیک مش در انسیس فلوئنت برسند. شیوه آموزش دینامیک مش در این دوره  به صورت پروژه محور و با حل مثال های مختلف می باشد. در نتیجه اطلاعات به صورت کامل و کاربردی منتقل می شود.