چگونه از نمودارهای پیکان در COMSOL Multiphysics بیشترین بهره را ببرید

در یک پست وبلاگ اخیر، Lexi نحوه استفاده بهینه از نمودارهای خط، سطح و حجم را توضیح داد . اکنون به نمودارهای پیکان و نحوه استفاده از آنها به نفع خود خواهیم پرداخت. پس از یک راهنمای مبتدی، از طریق یک برنامه کاربردی صنعتی بسیار جالب، “نگاهی به آشپزخانه” خواهید داشت که در آن نمودارهای فلش نقش مهمی در طراحی در برنده شدن یک وظیفه مشاوره ایفا کردند.

نمودارهای پیکان چیست و چه زمانی مفید هستند؟

نمودار فلش یک ابزار بسیار قدرتمند برای تجسم توزیع میدان است. در COMSOL Multiphysics، ما معمولاً میدان‌ها را محاسبه می‌کنیم – خواه این به سرعت‌های جریان آشفته، میدان‌های مغناطیسی، انتقال گونه‌های شیمیایی یا گرادیان‌های حرارتی مربوط باشد. همه اینها از تجسم صحیح بسیار سود می برند.

ژنراتور: استفاده از نمودارهای پیکان برای میدان های مغناطیسی.

راکتور ازن: استفاده از نمودارهای پیکانی برای بردارهای جریان سیال.

خب این چطور کار میکند؟

بیایید گام به گام گزینه‌ها را مرور کنیم و به استفاده از مدل Heat Sink که Lexi در پست وبلاگ پس پردازش قبلی ما به عنوان مثال استفاده کرد، ادامه دهیم.

در ابتدا، مدل ما فقط یک گروه پلات سه بعدی با نمودار سطحی دما دارد. با کلیک بر روی “گروه طرح سه بعدی 1” در نوار یا کلیک راست روی “گروه طرح سه بعدی 1” در درخت مدل، می‌توانیم یک نمودار حجم پیکان اضافه کنیم .

متوجه خواهید شد که نمودارهای فلش در سه بعد وجود دارند:

1. Arrow Volume که فلش ها را به صورت سه بعدی ترسیم می کند: داخل یک حجم.
2. Arrow Surface که فلش ها را در دو بعد ترسیم می کند: روی یک سطح.
3. خط پیکان ، که فلش ها را در یک بعد ترسیم می کند: در امتداد یک خط.

در این مثال به سراغ نمودار حجم پیکان می رویم که نتیجه زیر را به ما می دهد:

اگرچه مفید است، اما بدست آوردن بینش قابل توجهی با تنظیمات پیش فرض در اینجا دشوار است. مشکل در اینجا دو جنبه است: رنگ فلش به اندازه کافی برجسته نیست و حجم با لایه های بیش از حد فلش انباشته شده است.

بیایید با پرداختن به موضوع اول شروع کنیم. انتخاب رنگ متضاد تری راحت تر به نظر می رسد – فعلاً به سراغ رنگ سرخابی می رویم. رنگ فلش را می توان در پنجره تنظیمات تغییر داد، همانطور که در اینجا نمایش داده می شود:

علاوه بر این، بهتر است فقط یک لایه از فلش ها را ترسیم کنیم. این را می توان در همان پنجره تنظیمات تغییر داد، جایی که می توان نقاط شبکه را انتخاب کرد:

که نتیجه زیر را می دهد:

هوم… هنوز خیلی عالی نیست. آنچه ما نیاز داریم فلش های بیشتری در جهت های درون صفحه است که در اینجا جهت های x – و y هستند . ما آنها را به 35 تغییر می دهیم تا دریافت کنیم:

با کلیک کردن روی دکمه “XY View” که در بالای پنجره گرافیکی قرار دارد، می‌توانید دیدگاه روشن‌تری به دست آورید.

ما به راحتی می‌توانیم ببینیم که چگونه هوا راه خود را در اطراف میله‌های هیت سینک پیدا می‌کند و همچنین سرعت کاهش یافته پشت آن‌ها. این جایی است که طرح فلش بینش منحصر به فردی را در مورد آنچه در حال وقوع است ارائه می دهد. اگر در عوض از آزمایش‌ها استفاده می‌کردیم، در صورت امکان، به دست آوردن این اطلاعات بسیار دشوار خواهد بود.

ریشه‌های من در فیزیک تجربی است و در طول سال‌ها، موانع موجود در انجام چنین اندازه‌گیری‌هایی را دیده و حس کرده‌ام. فکر کنید: زمان از کار افتادگی گران قیمت، مقیاس چالش برانگیز دستگاه (از میکروسیال‌ها گرفته تا کارخانه‌های تصفیه آب عظیم)، هزینه تجهیزات، نیاز به درون یابی – گاهی حدس زدن – بین تعداد محدودی از نقاط داده، کاوشگرهایی که بر اندازه‌گیری تأثیر می‌گذارند و غیره.

همانطور که در نمودار متوجه خواهید شد، طول فلش به طور پیش فرض متناسب با سرعت است. این را می توان روی Normalized و Logarithmic نیز تنظیم کرد . به عنوان مثال، دو گزینه دوم برای تجسم گرداب های محلی، که به طور کلی دامنه سرعت پایینی در مقایسه با مقادیر جریان متوسط ​​دارند، عالی هستند.

تا به حال، ما فقط یک رنگ را برای فلش ها انتخاب کرده ایم، اما می توان به آنها رنگی متناسب با هر عبارتی داد. این را می توان با کلیک راست بر روی “جلد شماره 1” و انتخاب “نمایش رنگ” انجام داد. به طور پیش فرض، جدول رنگ Rainbow به آن داده می شود .

با تغییر جدول رنگ نمودار سطح، به تصویر زیر می رسیم:

اکنون که ایده ای در مورد نحوه استفاده از نمودارهای فلش دارید، بیایید نگاهی به این موضوع بیندازیم که چرا دانستن این موضوع خوب است.

مثال صنعتی: خرابی پمپ آب

من اهل هلند هستم و همانطور که می دانید حدود یک سوم هلند زیر سطح دریا است . به همین دلیل، ما از اوایل قرن 10 در زمینه مدیریت آب بسیار فعال بوده ^ایم . امروزه هنوز هم یک رشته مهندسی بزرگ است و مورد زیر زیر چتر این حوزه کاربردی است.

ایستگاه های پمپاژ

ایستگاه های پمپاژ برای انتقال آب به سطح ارتفاع بالاتر، مانند رساندن آب به کانال ها، تخلیه زمین های سیل زده و سایر کاربردهای زیرساختی آب استفاده می شود. این پمپ ها از نظر اندازه بسیار بزرگ هستند – 50 متر ^مکعب در دقیقه و بالاتر. در زیر نمونه ای از ایستگاه پمپاژ آب آورده شده است:

ایستگاه پمپاژ. « Gemaal van sasse » اثر وینسنت دی گروت — http://www.videgro.net — اثر شخصی. تحت مجوز CC BY 2.5 از طریق Wikimedia Commons .

در مثال صنعت خاص ما ( تصویر بالا نیست )، نوع جدیدی از پمپ برای کنترل محدوده دینامیکی سطوح آب در سمت ورودی طراحی شده است. به دلایل مختلف، طراحان تصمیم گرفتند یک لوله زانویی شکل در سمت ورودی بسازند (شکل یک شیر آب کلاسیک را تصور کنید، اما جهت جریان معکوس شده است). مشخصات پمپ – قدرت و دشارژ – برای این کار بیش از حد کافی بود، اما زمانی که به سیستم متصل شد، راندمان پمپ بسیار کم اندازه‌گیری شد. مشخصات هدف محقق نشد و با نزدیک شدن به ضرب الاجل ها، مهندسان تحت فشار بودند تا به سرعت تشخیص و راه حلی ارائه دهند.

محرمانه بودن کیس من را از وارد شدن به جزئیات باز می دارد، اما معلوم می شود که هندسه لوله انتخابی آنها، در سطوح خاص آب، جریان چرخشی را به سمت ورودی پمپ ایجاد می کند که کارایی آن را به شدت محدود می کند. آزمایش انواع مختلف طراحی در این زمینه آسان یا ارزان نیست. علاوه بر این، در حالی که می‌توانید بازده پمپ را اندازه‌گیری کنید، هنوز در مورد جزئیات رفتار جریان خاص در تاریکی هستید. این بدان معنی است که باید یک “جعبه سیاه” بسیار گران قیمت را اندازه گیری کرد، با اندکی تصور که آیا تکرار طراحی بعدی همه چیز را بهبود می بخشد یا چرا.

به این دلایل، این شرکت یک شرکت مهندسی را استخدام کرد که از COMSOL Multiphysics با ماژول CFD برای حل این مشکل استفاده می کند.

چه خبر بود؟

در حالی که نمی توانم جزئیات خاصی را ارائه دهم، می توانم به صورت مفهومی نشان دهم که چه اتفاقی در حال رخ دادن است و چرا نمودارهای فلش در متقاعد کردن مدیریت برای تغییر طراحی خاص مفید بودند. برای اهداف نمایشی، من از مدل Flow in a Pipe Elbow استفاده می کنم که در کتابخانه برنامه موجود است.

افت فشار (چپ) و میدان سرعت (راست) در زانویی لوله.

از آنجایی که جریان آب بسیار متلاطم است، عبور از یک خم 90 درجه به شدت میدان را منحرف می کند. این را می توان در نمودار سرعت بالا مشاهده کرد، اما شاید بتوانیم آن را با یک نمودار فلش واضح تر نشان دهیم. با تنظیمات قبلی ما، طرح به صورت زیر است:

از آنجایی که سرعت آب هنوز عمدتاً در جهت لوله است، سرعت درون صفحه تا حدودی پنهان است. بیایید کاری در مورد آن انجام دهیم.

مثل همیشه، می توانید هر عبارتی را در COMSOL Multiphysics تغییر دهید. در این مورد، می‌توانیم جهت‌های درون صفحه میدان جریان را در یک فاکتور بزرگ ضرب کنیم، اما حتی ساده‌تر است که به سادگی مولفه y نمودار فلش را صفر کنیم:

و نتیجه:

اکنون می‌توانیم به وضوح ببینیم که چگونه اجزای جریان چرخشی در طول مسافت محو می‌شوند. توجه داشته باشید که این لوله‌های معمولی شما به اندازه لوله‌کشی نیستند، بلکه اندازه لوله فاضلاب هستند – فاصله نشست جریان قابل توجه است و آب با سرعت‌های شدید حرکت می‌کند.

ما همچنین می توانیم نتایج را به عنوان یک انیمیشن صادر کنیم:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

در اینجا یک نگاه دقیق تر است:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

برنده شدن در تکلیف با نمودارهای پیکان

در موقعیت طراحان پمپ که در بالا ذکر شد، هندسه ورودی در ترکیب با سطوح خاص آب، اثرات اعوجاج جریان بسیار بدتری نسبت به خم زانو ایجاد کرد. اکنون، برای روشن شدن موضوع، روش‌های پس پردازش دیگری برای تعیین اعداد سخت در مورد سرعت (یا کندی) ناهمسانگردی وجود دارد. با این حال، در این مورد خاص، تصاویر فوق برای متقاعد کردن افراد بالاتر از این که مشکل چیست و چگونه می توان آن را حل کرد، اهمیت تعیین کننده ای داشت. شرکت مشاوره مورد نظر با ارائه راه حلی سریع و مقرون به صرفه که توسط شبیه سازی ها هدایت می شود، موفق شد بر رقبا پیروز شود.

بعدی: قطعه قطعه

اگر نکته یا برنامه جالبی در رابطه با موضوع ارائه شده در اینجا دارید، مطمئن شوید که آنها را از طریق بخش نظرات زیر به اشتراک بگذارید. منتظر موضوع پس پردازش بعدی ما باشید: نمودارهای برش.