شبیه‌سازی حرکت سیال داخل لوله
در این جلسه هفتم دوره آموزش کاربردی کامسول ، به ادامه آموزش کار با نرم‌افزار کامسول می‌پردازیم. در این جلسه، حرکت سیال داخل لوله شبیه‌سازی خواهد شد. برای به دست آوردن توزیع سرعت یک سیال مانند آب داخل یک لوله، می‌توانیم از سه روش مختلف شبیه‌سازی در کامسول استفاده کرد.
- شبیه‌سازی دو بعدی
- شبیه‌سازی دو بعدی متقارن محوری
- شبیه‌سازی سه بعدی
در جلسات قبلی در مورد اینکه چرا از تقارن استفاده می‌کنیم و مزایای آن صحبت کردیم. در اینجا، مسئله را به این سه صورت حل کرده و نتایج به دست آمده و زمان حل را با هم مقایسه می کنیم.
شبیه‌سازی دو بعدی حرکت سیال در لوله
در این روش، فرض می‌کنیم که قصد داریم توزیع سرعت روی یک صفحه مسطتیلی در داخل لوله را شبیه‌سازی می کنیم. در واقع توزیع سرعت داخل لوله مشابه یک مسطتیل در نظر گرفته می‌شود که سیال از یک طرف به آن وارد و از سمت دیگر خارج می‌شود. این شبیه‌سازی همان حل دو بعدی است. در شبیه‌سازی بعدی، که در محیط دو بعدی متقارن محوری حل می‌شود فرض می کنیم که توزیع سرعت در بالا و پایین مسطتیل با هم متقارن هستند.
شبیه‌سازی دو بعدی متقارن محوری حرکت سیال در لوله
در این روش، یک بخش از بالای مسئله را در محیط متقارن محوری در نظر می‌گیریم و حل می‌کنیم. در نهایت، پس از حل خود نرم افزار علاوه بر حل دو بعدی، گراف های حل سه بعدی را نیز ایجاد می‌کند. در نهایت، این سه حل را با هم مقایسه می‌کنیم.
شبیه‌سازی سه بعدی حرکت سیال در لوله
حل سه بعدی مسئله حرکت سیال در لوله همان حلی است که تمام مسائل را بدون در نظر گرفتن تقارن می توان توسط آن انجام داد. بر این اساس لوله به صورت یک استوانه با یک ورودی و یک خروجی در نظر گرفته شده و در نرم افزار کامسول حل می‌شود.
مدل حرکت سیال داخل لوله در کامسول
با توجه به آن که تمام روند شبیه‌سازی برای سه نوع حل دو بعدی، دو بعدی متقارن محوری و سه بعدی یکسان است؛ تنها یک بار بیان می‌شود. جزئیات هر سه روش در ویدیوی آموزشی موجود است. برای شروع، ابتدا وارد محیط نرم‌افزار کامسول شده و از بخش “مدل ویزارد”، گزینه محیط مناسب برای حل را انتخاب می کنیم. فیزیک Laminar Flow را انتخاب کره و نوع حل را Stationary در نظر می‌گیریم. در اینجا طول لوله برابر 200 میلیمتر و ارتفاع آن برابر 20 میلیمتر است. پس این موارد در محیط دو بعدی به طول و ارتفاع مسطتیل، در محیط دو بعدی متقارن محوری نصف 20 میلیمتر به شعاع لوله و 200 میلیمتر به طول و در محیط سه بعدی نصف 20 میلیمتر به شعاع استوانه و 200 میلیمتر به طول استوانه نسبت داده می‌شود. در قسمت متریال باید یک ماده انتخاب کنیم که در اینجا ماده‌ی آب را در نظر می‌گیریم.
تنظیمات ملینار فلو
در بخش لمینار فلو فقط برخی از تنظیمات مقدماتی در اینجا توضیح داده می‌شود و در جلسات آینده بیشتر در مورد آن صحبت خواهد شد. برای اینکه یک شبیه‌سازی که لامینار فلو را اجرا کند، باید ورودی و خروجی را مشخص کنیم. در واقع، لوله ما ورودی و خروجی دارد. با کلیک راست کردن، یک Inlet و یک Outlet اضافه می‌کنیم. در قسمت ورودی، یک سلکشن باکس داریم که از ما می‌خواهد یک باند را انتخاب کنیم. پس انتخاب باند ورودی، سرعت را 0.25 متر بر ثانیه در نظر می‌گیریم. باند خروجی را هم در Outlet انتخاب می‌کنیم.
نودهای دیفالت
با نکته مهمی که باید ذکر شود این است که در کامسول، نودهای پیش‌فرض یا دیفالت (Defaul Nodes) وجود دارد. به عنوان مثال، در فیزیک لامینار فلو، سه نود وجود دارد: نود اول مربوط به خواص سیال، نود دوم مربوط به مقادیر اولیه (Initial Values)، و نود سه مربوط به مقادیر مرزهای دیواره (Walls) است. این سه نود به صورت خودکار در کامسول وجود دارند و تنظیمات خاصی نیاز ندارند. کامسول این فرض را انجام می‌دهد که در فیزیک لامینار فلو، در این مثال حرکت سیال داخل یک کانال، همه مرزها دیواره هستند مگر اینکه کاربر ورودی (Inlet) و خروجی (Outlet) را مشخص کند.
این فرض صحیح است و باعث می‌شود که کامسول بتواند برخی مراحل را ساده‌سازی کند و کاربر سریع‌تر بتواند شبیه‌سازی را اجرا کند. در قسمت مقادیر اولیه، یک سری مقدار برای سرعت و فشار وجود دارد که در حل‌های Steationary هیچ تأثیری روی جواب نخواهد داشت. در قسمت خواص سیال، یک قسمت برای چگالی و یک قسمت برای ویسکوزیته وجود دارد که از متریال انتخاب شده (اضافه شده از دیتابانک کامسول) خوانده می‌شود.
مش بندی
در ادامه، مدل را کامل کردیم و می‌توانیم مسئله را حل کنیم. اما قبل از حل مسئله، باید مش را تنظیم کنیم. در نرم‌افزارهای دیگر، معمولاً باید تنظیمات زیادی روی مش انجام شود. اما در کامسول، با توجه به ساده‌سازی‌هایی که انجام داده است، می‌توانید با یک کلیک، یک مش خودکار ایجاد کنید. این مش خودکار کیفیت خوبی دارد و دلیل آن قدرت نرم‌افزار کامسول است که می‌تواند مش را به صورت خودکار با دقت بالا تولید کند. البته این بدان معنا نیست که در شبیه‌سازی‌های پیچیده نمی‌توانیم از مش‌های پیشرفته‌تر استفاده کنیم. کامسول این قابلیت را دارد که تمام پارامترهای مربوط به لایه‌ها و اندازه مش را تنظیم کنیم. اما در این مرحله، نیازی به اطلاعات بیشتر در مورد مش‌های پیشرفته نیست.
حل مسئله
در ادامه، حل مسئله را اجرا می‌کنیم. در بخش Study، دو تیک وجود دارد: یکی برای تولید نمودارهای پیش‌فرض بعد از حل مسئله، و دیگری برای تولید نمودار همگرایی. با زدن دکمه Compute، حل مسئله آغاز می‌شود. نمودار همگرایی و نتایج مسئله به دست می‌آید. نمودار همگرایی، میزان خطا را در هر مرحله نشان می‌دهد و زمانی که خطا به حداقل برسد، حل مسئله همگرا شده است. نمودار سرعت و فشار نیز تولید می‌شود. همچنین، کامسول نمودار سرعت و فشار را به صورت پیوسته نیز تولید می‌کند.
مقایسه نتایج و زمان حل
اولین مقایسه، بررسی این است که آیا نتایج دو بعدی، دو بعدی متقارن محوری، و سه بعدی با هم مشابه هستند یا خیر؟! سپس، زمان حل هر یک از این روش‌ها را بررسی می‌کنیم. همانطور که در جلسات قبلی گفتیم، مزیت استفاده از تقارن کاهش حجم محاسبات و افزایش سرعت حل است. پس از بررسی نتایج مشخص شد، همانطور که انتظار می رفت، توزیع سیال و دیگر متغییرهای به دست آمده از حل در هر سه نوع حل مشابه هم دیگر هستند. از سوی دیگر این مطلب مشخص شد که حل دو بعدی کمترین زمان حل و حل سه بعدی بیشترین زمان حل را دارد. زمان حل مدل دو بعدی سه ثانیه، مدل دو بعدی محوری متقارن شش ثانیه و مدل سه‌بعدی شصت ثانیه بود. این نتایج نشان می‌دهند که استفاده از تقارن در شبیه‌سازی می‌تواند زمان حل مسئله را کاهش دهد. از سوی دیگر زمان حل دو بعدی و دو بعدی متقارن محوری به مراتب کمتر از حل سه بعدی است. بر این اساس اثبات شد که زمانی که یک مسئله دارای تقارن است، استفاده از این تقارن در شبیه‌سازی موجب کاهش چشمگیر زمان حل می‌شود.
جمع بندی
در این جلسه از دوره آموزش کامسول آموختیم که چگونه با می توان یک مسئله را با استفاده از تقارن سازده سازی کرد و با زمان کمتر و دقت بیشتر مسئله را حل کرد. همچنین در یک مسئله واقعی یاد گرفتیم که چطور می توان حرکت سیال آب داخل لوله را با کامسول شبیه‌سازی کرد. شبیه‌سازی حرکت در مجراهای دیگر نیز به همین صورت است. در جلسات بعدی دوره کاربردی آموزش کامسول مسائل مهندسی دیگری بررسی می‌شود.
