چه نوع مسائل FSI را می توان با COMSOL Multiphysic حل کرد؟
یکی از سوالاتی که همیشه از ما پرسیده می شود این است: “آیا می توانم از COMSOL Multiphysics برای حل مشکلات برهمکنش های ساختار سیال خود استفاده کنم؟” مطمئناً پاسخ مثبت است، بنابراین اجازه دهید کمی در مورد تکنیکهای مدلسازی برهمکنش ساختار سیال (FSI) صحبت کنیم. در طول مسیر، ماژول های افزودنی را که برای این انواع مختلف آنالیزها نیاز دارید، معرفی خواهیم کرد.
انواع مختلف مدلسازی برهمکنش سیال-ساختار
به طور کلی، هر زمان که مسئلهای را مدلسازی میکنید که شامل محاسبه سرعت و/یا میدان فشار در یک سیال و همچنین تنشها و کرنشهای موجود در ماده جامد در تعامل با آن سیال است، یک برهمکنش سیال-ساختار را حل میکنید (FSI) ) مدل.
جریان در اطراف یک سیلندر
هنگام مدلسازی یک مسئله FSI، مفروضات مختلفی وجود دارد که میتوانیم پیچیدگی مدلسازی را ساده کنیم و بار محاسباتی را کاهش دهیم. برای شروع، بیایید کاملترین مدل FSI را که میتوانید در COMSOL Multiphysics بسازید، بررسی کنیم: جریان سیال در اطراف یک سیلندر .
تغییر شکل یک جسم انعطاف پذیر در پی سیلندر در جریان متقاطع.
سیال پشت سیلندر باعث ایجاد نوسانات بزرگ در جامد بیرون زده از پشت سیلندر می شود. حل این نوع مدل مستلزم پرداختن به سه مشکل است. ابتدا معادلات ناویر-استوکس در نواحی جریان سیال حل می شود. در مرحله بعد، جابجایی در جامدات محاسبه می شود. در نهایت، تغییر شکل مش در ناحیه سیال حل میشود تا ناحیه تغییر شکلدهندهای که سیال میتواند از طریق آن جریان یابد، در نظر گرفته شود.
این کوپلینگ چندفیزیکی غیرخطی با رابط تعامل سیال-ساختار که در ماژول MEMS یا ماژول مکانیک سازه موجود است، انجام می شود . چنین مدل هایی را می توان در هر دو حوزه زمان یا به عنوان یک مسئله حالت پایدار (زمان-ناغیر) حل کرد.
مثال بالا یک رابطه خطی بین تنش و کرنش در ماده جامد را در نظر می گیرد. اگر میخواهید موادی را با رابطه تنش-کرنش غیرخطی مدل کنید، مانند مدل مواد فوق الاستیک که معمولاً برای توصیف لاستیکها و پلیمرها استفاده میشود، میخواهید از ماژول مواد ساختاری غیرخطی نیز استفاده کنید .
پمپ پریستالتیک : یک غلتک سیال را در امتداد یک لوله انعطاف پذیر پمپ می کند. اعتبار تصویر: Veryst Engineering.
FSI جفت شده یک طرفه
از سوی دیگر، ممکن است از قبل بدانید که جابجاییهای سازه نسبتاً کم خواهند بود، اما تنشها ممکن است قابل توجه باشند. در این مورد همچنان میتوانید از رابط تعامل سیال-ساختار استفاده کنید، اما در عوض از یک حلکننده جفت یک طرفه نیز استفاده کنید ، که راهحل جریان را محاسبه میکند و بارهای سیال را روی مشکل سازه اعمال میکند. به این ترتیب، از محاسبه تغییر شکل مش جلوگیری خواهید کرد.
همچنین می توان این نوع مشکل FSI جفت شده یک طرفه را از ابتدا و بدون استفاده از رابط Fluid-Structure Interaction کنار هم قرار داد . این در مثال برهمکنش سیال-ساختار در اکستروژن آلومینیوم نشان داده شده است . علاوه بر این، اگر با یک جریان با سرعت بسیار بالا سر و کار دارید و علاقه ای به نوسانات آشفته در بازه زمانی کوتاه در جریان ندارید، می توانید از مدل جریان سیال آشفته به عنوان بخشی از مدل FSI خود استفاده کنید. هر دو ماژول CFD و ماژول انتقال حرارت شامل مدلهای آشفتگی مختلف مناسب برای رژیمهای جریان مختلف هستند.
پنل خورشیدی در جریان دوره ای : جریان هوای متلاطم در اطراف یک صفحه خورشیدی و تنش های ساختاری حاصل محاسبه می شود.
ساختار ارتعاشی در یک سیال
اگر از قبل می دانید که با یک سازه ارتعاشی در یک سیال سر و کار دارید، معمولاً می توانید فرض کنید که جابجایی های سازه نسبتاً کم خواهد بود. در نتیجه، هرگونه حرکت حجیم القایی در سیال اطراف ناچیز است. با این حال، از آنجایی که سازه در حال ارتعاش است، یک موج فشار در سیال برانگیخته میشود و صدا از آن خارج میشود. در نرمافزار COMSOL، این کار از طریق رابطهای تعامل ساختاری آکوستیک موجود در ماژول آکوستیک انجام میشود .
این رابطها فرض میکنند که تغییرات در جابجایی جامدات نسبتاً کوچک است و بنابراین حرکت عمدهای قابلتوجهی به سیال القا نمیکند، بلکه تنها تغییراتی در میدان فشار سیال ایجاد میکند. حل چنین مسائلی در حوزه زمانی امکان پذیر است، اما می توان فرض کرد که جابجایی ها و فشارها به صورت سینوسی در زمان تغییر می کنند. این به ما امکان می دهد در حوزه فرکانس مدل سازی کنیم، که حل آن از نظر محاسباتی کمتر است. تلفات حجمی ناشی از ویسکوزیته سیال و میرایی مواد را می توان در نظر گرفت.
سطح فشار صدا که توسط یک بلندگو تابش می شود.
حل مسئله برهمکنش حرارتی- جامد نیز امکان پذیر است ، که نسخه خطی شده فرکانس-دامنه معادلات ناویر-استوکس را حل می کند و می تواند تلفات را در لایه های مرزی حرارتی و چسبناک مدل سازی شده صریح در نظر بگیرد. اگرچه این از نظر محاسباتی گرانتر از یک مسئله تعامل صوتی-جامد است، اما هنوز بسیار کارآمدتر از حل مشکل FSI کامل است.
ریز آینه ارتعاشی : تنش ها و جابجایی های یک آینه ارتعاشی و سرعت هوای اطراف.
مدیای Poroelastic
ماژول آکوستیک همچنین میتواند انتشار موج را از طریق محیطهای متخلخل مانند خاکهای مرطوب، بافتهای بیولوژیکی و فومهای میرایی صدا با استفاده از رابط امواج Poroelastic کنترل کند . این هم جابجایی های ساختاری و هم فشار سیال در منافذ جامد را حل می کند. به عنوان مثال ، محاسبه انعکاس یک موج صوتی از رابط بین رابط آب و رسوب است.
اگر به مدلسازی رسانههای متخلخل، اما در حوزه حالت پایدار یا زمان به جای دامنه فرکانس علاقه دارید، به ماژول جریان زیرسطحی نیاز دارید . این برای مدلسازی جریان ناشی از فشار حالت پایدار یا گذرا و تنشهای استاتیکی در خاک و سایر محیطهای متخلخل است. این ماژول حاوی یک رابط Poroelasticity است ، بنابراین شما می توانید برهمکنش سیال-ساختار متخلخل را در رژیم حالت پایدار و گذرا مدل کنید.
چاه چند طرفه باز چاه : تنشهای خاک و سرعت سیال در حوزه متخلخل رسم میشوند.
لایه های نازک سیال و جریان لوله
تمام رویکردهایی که توضیح دادم به صراحت حجم سیال را مدلسازی میکنند و سرعت و/یا فشار را در سراسر این حجمها حل میکنند. در شرایطی که لایههای نازکی از سیال داریم، مانند یاتاقانهای هیدرودینامیکی، میتوانیم به طور کامل از مدل حجمی سیال اجتناب کنیم و معادله رینولد را حل کنیم، که فقط فشار موجود در یک لایه نازک سیال را حل میکند.
در این رویکرد، ما فقط برای جریان سیال در امتداد یک مرز دامنه حل می کنیم. این رابط در ماژول CFD و ماژول MEMS موجود است . ما حتی می توانیم چیزها را جلوتر ببریم و فقط برای جریان سیال در امتداد یک خط حل کنیم. به عبارت دیگر، میتوانیم جریان در طول یک لوله را با استفاده از ماژول جریان لوله حل کنیم .
برای نمونهای از مدلی که هم تغییرات فشار در طول لوله و هم تأثیر کشش دیوارههای لوله را در نظر میگیرد، لطفاً این مثال از حل معادله چکش آب را بررسی کنید .
یاتاقان رانش لنت کج شده : میدان فشار در یک لایه روان کننده و تغییر شکل یاتاقان رانش لنت کج شده.
ساده کردن محاسبات به سطح بعدی
احتمالاً میتوانید ببینید که ما با پیچیدهترین مورد شروع کردیم و به دنبال راههایی برای سادهسازی محاسبات، بهویژه در زمینه جریان سیال هستیم. بیایید این را تا حد زیادی در نظر بگیریم و مورد سیالی را در نظر بگیریم که اصلاً حرکت نمی کند، اما یک بار فشار هیدرواستاتیکی را بر روی سازه ایجاد می کند.
ویژگی های اصلی
در چنین شرایطی، میتوانیم از ویژگیهای اصلی COMSOL Multiphysics استفاده کنیم: معادلات تعریفشده توسط کاربر، عملگرهای جفت مولفه، و معادلات جهانی. اینها به شما این امکان را می دهند که یک معادله دلخواه را در مدل بگنجانید تا هر متغیر اضافی مانند فشار سیال را نشان دهد. همانطور که در یک پست وبلاگ قبلی بحث کردیم ، می توانید اثر یک سیال تراکم پذیر و غیر قابل تراکم را در داخل یک حفره محصور در حال تغییر شکل و همچنین فشار هیدرواستاتیک را شامل کنید .
ماژول میکسر
اکنون که ما هر روشی را برای ساده کردن مسئله جریان سیال و محاسبه تنش ها معرفی کرده ایم، بیایید با چرخاندن چیزها و مدل سازی حرکت سیال برای مواردی که حرکت جسم صلب جامد را می دانیم کار را به پایان برسانیم. چنین موقعیتهایی را میتوان از طریق ماژول میکسر ، که برای آدرسدهی میکسرها و ظروف همزن است، مدیریت کرد .
حرکت ساختار جامد در این حالت کاملاً از طریق چرخش مشخص می شود و حرکت سیال محاسبه می شود. اگر تغییر شکلهای الاستیک خطی جامدات را فرض کنیم، میتوانیم تنشها را در اجسام جامد متحرک محاسبه کنیم. این را می توان با یک راه حل جفت شده یک طرفه انجام داد که ابتدا میدان جریان سیال را به دلیل میکسر متحرک حل می کند و سپس با این فرض که تغییر شکل ساختاری کوچک است، تنش ها را محاسبه می کند.
میدانها را در یک ظرف اختلاط همزده جریان دهید.
خلاصه و مراحل بعدی
همانطور که می بینید، COMSOL Multiphysics قادر است طیف گسترده ای از مشکلات مدل سازی برهمکنش ساختار سیال را مدیریت کند. اگر چیزی در اینجا دیدهاید که به آن علاقه دارید، یا اگر چیزی در این زمینه کنجکاو هستید که در اینجا به آن پرداخته نشده است، لطفاً با ما تماس بگیرید .
- لینک دانلود به صورت پارت های 1 گیگابایتی در فایل های ZIP ارائه شده است.
- در صورتی که به هر دلیل موفق به دانلود فایل مورد نظر نشدید به ما اطلاع دهید.
برای مشاهده لینک دانلود لطفا وارد حساب کاربری خود شوید!
وارد شویدپسورد فایل : پسورد ندارد گزارش خرابی لینک
دیدگاهتان را بنویسید