 |
سد شکستن در یک ستون، مجموعه سطح
معرفی
مشکلات برخورد موج در مهندسی سازه ها مهم هستند، به عنوان مثال در مکان هایی که احتمال وقوع سونامی وجود دارد. پیش‌بینی نیروهای امواجی که بر روی اجسام وارد می‌شوند می‌تواند برای سازه‌های فراساحلی و سازه‌هایی که در نزدیکی آب قرار گرفته‌اند بسیار مهم باشد. اگر سازه در معرض امواج شدید قرار گیرد، سیل نیز باید در نظر گرفته شود. یکی از ساده ترین و پرکاربردترین روش های مورد استفاده برای مدل سازی این نوع مسائل، سیستم معادلات آب کم عمق است.
در این مطالعه گذرا، رابط دو فاز جریان، مجموعه سطح به جای آن برای مدل‌سازی تاثیر موج آب بر روی یک ستون استفاده می‌شود. بدنه آبی با ارتفاع 0.3 متر در ابتدا در پشت یک دروازه قرار دارد. در شروع شبیه سازی، دروازه به طور ناگهانی آزاد می شود و بدنه آب موجی را تشکیل می دهد که به سمت سازه حرکت می کند. پس از برخورد، آب به حرکت رو به جلو ادامه می دهد تا زمانی که به دیواره مخزن منعکس شده و برای بار دوم به ستون برخورد کند. نیروی فشار روی ستون محاسبه می شود و می توان آن را با نتایج تجربی موجود در Ref. 1 و همچنین با نتایج به دست آمده با استفاده از معادلات آب کم عمق، رابط زمان صریح در شکستن سد بر روی یک ستون، معادلات آب کم عمق .
تعریف مدل
هندسه و پیکربندی اولیه آزمایش در شکل 1 نشان داده شده است . یک مخزن به طول 1.60 متر، عرض 0.61 متر و ارتفاع 0.60 متر استفاده می شود. حجم آب به طول 0.40 متر، عرض 0.61 متر و ارتفاع 0.30 متر در ابتدا در پشت دروازه ای قرار می گیرد که بلافاصله در شروع شبیه سازی آزاد می شود. یک ستون جامد بلند با پایه مربعی به عرض 0.12 متر در داخل مخزن 0.50 متر پایین دست دروازه و 0.25 متر از یکی از دیوارهای جانبی قرار می گیرد. تاسیسات آزمایشی اجازه زهکشی کامل مخزن را نمی داد و یک لایه نازک آب تقریباً 0.01 متر نیز باید در نظر گرفته شود.
نیروی فشار در واحد طول بر روی یک مرز را می توان با استفاده از یک عملگر ادغام بدست آورد.
جایی که Γ نشان دهنده مرزهای جلو و عقب ستون است.
شکل 1: هندسه و پیکربندی اولیه آب.
نتایج و بحث
شکل 2 موقعیت سطح آزاد را در زمان های مختلف نشان می دهد. پس از آزاد شدن دروازه، بدنه آب در اثر گرانش فرو می ریزد و موجی را تشکیل می دهد که به سمت ستون حرکت می کند. پس از برخورد با سازه، موج تقسیم می شود و قسمت مرکزی آن به سمت بالادست ستون می رود. دو طرف جبهه موج دوباره در مسیر پایین دست سازه به هم می پیوندند و بعداً از دیواره پایین دست مخزن منعکس می شوند. موج پس از انعکاس ضعیف می شود و دوباره به سطح پایین دست ستون برخورد می کند. موج سپس به سمت دیوار بالادست ادامه می یابد، در حالی که به آرامی در حال پوسیدن است.
مولفه خالص y نیروی فشار وارد بر ستون در شکل 3 نشان داده شده است . نیروی محاسبه شده تاثیر موج در حال تکامل را بر روی قسمت های جلویی و عقبی سازه با حداکثر در t = 0.35 ثانیه و t = 1.5 ثانیه به تصویر می کشد. در مقایسه با نیروهای اندازه گیری شده گزارش شده در Ref. 1 ، توافق خوب است. نتایج بهتر از نتایج به دست آمده با معادلات آب کم عمق در شکستن سد بر روی یک ستون، معادلات آب کم عمق است .
شکل 2: سطح بدون آب در t = 0 s، 0.2 s، 0.5 s، 0.9 s، 1.5 s و 1.7 s.
شکل 3: نیرویی در جهت y که بر سازه وارد می شود.
نکاتی درباره پیاده سازی COMSOL
برنامه حاضر از پیش شرط Block-Navier Stokes به جای پیش شرط پیش فرض برای GMRES هنگام حل معادلات Navier-Stokes استفاده می کند. این پیش‌تهویه‌کننده می‌تواند معادلات فشار و سرعت را هنگام حل جدا کند و ممکن است راه‌حل‌های سریع‌تری برای مدل‌های وابسته به زمان بزرگ با جریان تراکم‌ناپذیر و اعداد رینولدز بالا (ویسکوزیته کم) ارائه دهد.
ارجاع
1. PE Raad و R. Bidoae، “روش نشانگر سه بعدی اویلرین-لاگرانژی و میکروسلول برای شبیه سازی جریان های سطح آزاد”، J. Comput. فیزیک ، جلد 203، صفحات 668-699، 2005.
مسیر کتابخانه برنامه: CFD_Module/Multiphase_Flow/dam_break_column_ls
دستورالعمل های مدل سازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی 
Model Wizard کلیک کنید .
Model Wizard کلیک کنید .مدل جادوگر
1 | در پنجره Model Wizard ، روی  3D کلیک کنید . |
2 | در درخت Select Physics ، Fluid Flow > Multiphase Flow > Two-Phase Flow، Level Set > Laminar Flow را انتخاب کنید . |
3 | روی افزودن کلیک کنید . |
4 |  روی مطالعه کلیک کنید . |
5 | در درخت انتخاب مطالعه ، از پیش تعیین شده مطالعات برای انتخاب چندفیزیکی> وابسته به زمان با شروع فاز را انتخاب کنید . |
6 |  روی Done کلیک کنید . |
هندسه 1
بلوک 1 (blk1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Block کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Block ، قسمت Size and Shape را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Width ، 1.6 را تایپ کنید . |
4 | در قسمت متن عمق ، 0.61 را تایپ کنید . |
5 | در قسمت متن ارتفاع ، 0.6 را تایپ کنید . |
6 | برای گسترش بخش لایه ها کلیک کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام لایه | ضخامت (متر) |
لایه 1 | 0.01 |
بلوک 2 (بلک2)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Block کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Block ، قسمت Size and Shape را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Width ، 0.4 را تایپ کنید . |
4 | در قسمت متن عمق ، 0.61 را تایپ کنید . |
5 | در قسمت متن ارتفاع ، 0.3 را تایپ کنید . |
بلوک 3 (blk3)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Block کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Block ، قسمت Size and Shape را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Width 0.12 را تایپ کنید . |
4 | در قسمت Depth ، 0.12 را تایپ کنید . |
5 | در قسمت متن ارتفاع ، 0.6 را تایپ کنید . |
6 | قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت متن x ، 0.9 را تایپ کنید . |
7 | در قسمت متن y ، 0.25 را تایپ کنید . |
8 |  روی Build Selected کلیک کنید . |
تفاوت 1 (dif1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Booleans and Partitions کلیک کنید و Difference را انتخاب کنید . |
2 | فقط شی blk1 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای تفاوت ، بخش تفاوت را پیدا کنید . |
4 | زیربخش اشیاء را برای تفریق پیدا کنید . برای انتخاب دکمه ضامن  فعال کردن انتخاب کلیک کنید . |
5 | فقط شی blk2 را انتخاب کنید. |
6 |  روی Build Selected کلیک کنید . |
بلوک 4 (بلک4)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Geometry 1 روی Block 2 (blk2) کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Block ، روی  Build Selected کلیک کنید . |
تفاوت 2 (dif2)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Booleans and Partitions کلیک کنید و Difference را انتخاب کنید . |
2 | فقط شی dif1 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای تفاوت ، بخش تفاوت را پیدا کنید . |
4 | زیربخش اشیاء را برای تفریق پیدا کنید . برای انتخاب دکمه ضامن  فعال کردن انتخاب کلیک کنید . |
5 | فقط شی blk3 را انتخاب کنید. |
6 |  روی Build Selected کلیک کنید . |
تقسیم 1 (spl1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Conversions کلیک کنید و Split را انتخاب کنید . |
2 | فقط شیء dif2 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای تقسیم ، روی  Build Selected کلیک کنید . |
اتحادیه 1 (uni1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Booleans and Partitions کلیک کنید و Union را انتخاب کنید . |
2 | فقط اشیاء blk4 و spl1(2) را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای Union ، بخش Union را پیدا کنید . |
4 | کادر تیک Keep interior borders را پاک کنید . |
5 |  روی Build All Objects کلیک کنید . |
تعاریف
ادغام 1 (در اول)
1 | در نوار ابزار تعاریف ، روی  Nonlocal Couplings کلیک کرده و Integration را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای ادغام ، بخش انتخاب منبع را پیدا کنید . |
3 | از لیست سطح نهاد هندسی ، Boundary را انتخاب کنید . |
4 |  روی دکمه Wireframe Rendering در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
5 | فقط مرزهای 15، 17، 21 و 22 را انتخاب کنید.  |
پروب متغیر جهانی 1 (var1)
1 | در نوار ابزار تعاریف ، روی  Probes کلیک کنید و Global Variable Probe را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای پروب متغیر جهانی ، Fp را در قسمت متن نام متغیر تایپ کنید . |
3 | قسمت Expression را پیدا کنید . در قسمت متن Expression ، عبارت intop1 (p*spf.nxmesh) را تایپ کنید . |
4 | چک باکس Description را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، فشار فشار را روی ستون تایپ کنید . |
چند فیزیک
جریان دو فاز، مجموعه سطح 1 (tpf1)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Multiphysics روی دو فاز جریان، مجموعه سطح 1 (tpf1) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جریان دو فاز ، مجموعه سطح ، قسمت ویژگی های مواد را پیدا کنید . |
3 |  روی Add Multiphase Material کلیک کنید . |
مواد
فاز 1 (mpmat1.phase1)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Materials>Multiphase Material 1 (mpmat1) روی Phase 1 (mpmat1.phase1) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای فاز ، قسمت تنظیمات پیوند را پیدا کنید . |
3 |  روی Add Material from Library کلیک کنید . این دکمه هنگام گسترش گزینه های کنار لیست Material پیدا می شود . |
اضافه کردن مواد به فاز 1 (MPMAT1.PHASE1)
1 | به پنجره Add Material to Phase 1 (mpmat1.phase1) بروید . |
2 | در درخت، Built-in>Water, liquid را انتخاب کنید . |
3 | روی OK کلیک کنید . |
مواد
فاز 2 (mpmat1.phase2)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Materials>Multiphase Material 1 (mpmat1) روی Phase 2 (mpmat1.phase2) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای فاز ، قسمت تنظیمات پیوند را پیدا کنید . |
3 |  روی Add Material from Library کلیک کنید . این دکمه هنگام گسترش گزینه های کنار لیست Material پیدا می شود . |
افزودن مواد به فاز 2 (MPMAT1.PHASE2)
1 | به پنجره Add Material to Phase 2 (mpmat1.phase2) بروید . |
2 | در درخت، Built-in>Air را انتخاب کنید . |
3 | روی OK کلیک کنید . |
مواد
فاز 2 (mpmat1.phase2)
1 |  روی دکمه Show More Options در نوار ابزار Model Builder کلیک کنید . |
2 | در کادر محاوره‌ای Show More Options ، در درخت، کادر را برای گره Physics>Advanced Physics Options انتخاب کنید . |
3 | روی OK کلیک کنید . |
جریان آرام (SPF)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Laminar Flow (spf) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جریان آرام بخش Physical Model را پیدا کنید . |
3 | چک باکس Include gravity را انتخاب کنید . |
4 | برای گسترش بخش تنظیمات پیشرفته کلیک کنید . زیربخش حل خطی را پیدا کنید . تیک گزینه Use Block Navier-Stokes preconditioner in time dependent studies را انتخاب کنید . |
محدودیت نقطه فشار 1
1 | در نوار ابزار فیزیک ، روی  Points کلیک کنید و محدودیت نقطه فشار را انتخاب کنید . |
2 | فقط نقطه 1 را انتخاب کنید. |
مجموعه سطح (LS)
مجموعه سطح مدل 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)> Level Set (ls) روی Level Set Model 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مدل Level Set ، بخش Level Set Model را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن γ ، 10 را تایپ کنید . |
مقادیر اولیه، سیال 2
1 | در پنجره Model Builder ، روی Initial Values, Fluid 2 کلیک کنید . |
2 | فقط دامنه 2 را انتخاب کنید. |
چند فیزیک
دیوار خیس شده 1 (ww1)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Multiphysics روی Wetted Wall 1 (ww1) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات دیوار مرطوب ، قسمت انتخاب مرز را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، همه مرزها را انتخاب کنید . |
مش 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Mesh 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مش ، قسمت Physics-Controlled Mesh را پیدا کنید . |
3 | از فهرست اندازه عنصر ، Finer را انتخاب کنید . |
4 |  روی ساخت همه کلیک کنید . |
مطالعه 1
مرحله 2: وابسته به زمان
1 | در پنجره Model Builder ، در مطالعه 1 ، روی Step 2: Time Dependent کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مربوط به زمان وابسته ، قسمت تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متنی زمان خروجی ، range(0,0.05,1.7) را تایپ کنید . |
راه حل 1 (sol1)
1 | در نوار ابزار مطالعه ، روی  Show Default Solver کلیک کنید . |
2 | در پنجره Model Builder ، گره Solution 1 (sol1) را گسترش دهید . |
3 | در پنجره Model Builder ، گره Study 1> Solver Configurations> Solution 1 (sol1)> Dependent Variables 2 را گسترش دهید ، سپس روی فیلد Velocity (comp1.u) کلیک کنید . |
4 | در پنجره تنظیمات برای فیلد ، بخش Scaling را پیدا کنید . |
5 | از لیست روش ، دستی را انتخاب کنید . |
6 | در قسمت Scale text عدد 10 را تایپ کنید . |
7 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Study 1>Solver Configurations>Solution 1 (sol1) روی Time-Dependent Solver 1 کلیک کنید . |
8 | در پنجره تنظیمات برای حل وابسته به زمان ، برای گسترش بخش Time Steping کلیک کنید . |
9 | زیربخش تنظیمات متغیر جبری را پیدا کنید . در قسمت کسری از گام اولیه برای متن اویلر به عقب ، 1 را تایپ کنید . |
10 | در نوار ابزار مطالعه ،  روی دریافت مقدار اولیه کلیک کنید . |
نتایج
1 | در پنجره Model Builder ، روی Results کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای نتایج ، قسمت به روز رسانی نتایج را پیدا کنید . |
3 | کادر بررسی Only plot when requested را انتخاب کنید . |
کسر حجمی سیال 1 (ls)
1 | در پنجره Model Builder ، در بخش Results بر روی Volume Fraction of Fluid 1 (ls) کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 3D Plot Group ، قسمت Plot Settings را پیدا کنید . |
3 | کادر بررسی لبه های مجموعه داده Plot را پاک کنید . |
برش 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Volume Fraction of Fluid 1 (ls) را گسترش دهید . |
2 | روی Results>Volume Fraction of Fluid 1 (ls)>Slice 1 کلیک راست کرده و Delete را انتخاب کنید . برای تایید روی Yes کلیک کنید . |
ظاهر مواد 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Isosurface 1 کلیک راست کرده و Material Appearance را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای ظاهر مواد ، بخش ظاهر را پیدا کنید . |
3 | از لیست ظاهر ، سفارشی را انتخاب کنید . |
4 | از لیست نوع مواد ، آب را انتخاب کنید . |
شفافیت 1
1 | روی Isosurface 1 کلیک راست کرده و Transparency را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای شفافیت ، بخش شفافیت را پیدا کنید . |
3 | مقدار Transparency را روی 0.15 قرار دهید . |
سطح 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Volume Fraction of Fluid 1 (ls) کلیک راست کرده و Surface را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Surface ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expression کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Level Set>ls.Vf1 – Volume fraction of fluid 1 را انتخاب کنید . |
3 | برای گسترش بخش Range کلیک کنید . کادر بررسی Manual data range را انتخاب کنید . |
4 | در قسمت حداقل متن، 0.5 را تایپ کنید . |
5 | در قسمت Maximum text، 1 را تایپ کنید . |
انتخاب 1
1 | روی Surface 1 کلیک راست کرده و Selection را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای انتخاب ، قسمت انتخاب را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، همه مرزها را انتخاب کنید . |
4 | در لیست، 6 ، 12 ، و 13 را انتخاب کنید . |
5 |  روی حذف از انتخاب کلیک کنید . |
ظاهر مواد 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Surface 1 کلیک راست کرده و Material Appearance را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای ظاهر مواد ، بخش ظاهر را پیدا کنید . |
3 | از لیست ظاهر ، سفارشی را انتخاب کنید . |
4 | از لیست نوع مواد ، آب را انتخاب کنید . |
شفافیت 1
1 | روی Surface 1 کلیک راست کرده و Transparency را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای شفافیت ، بخش شفافیت را پیدا کنید . |
3 | مقدار Transparency را روی 0.15 قرار دهید . |
سطح 2
1 | در پنجره Model Builder ، روی Volume Fraction of Fluid 1 (ls) کلیک راست کرده و Surface را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Surface ، بخش Expression را پیدا کنید . |
3 | در قسمت Expression text، 1 را تایپ کنید . |
انتخاب 1
1 | روی Surface 2 کلیک راست کرده و Selection را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای انتخاب ، قسمت انتخاب را پیدا کنید . |
3 |  روی Paste Selection کلیک کنید . |
4 | در کادر محاوره ای Paste Selection ، 2، 3، 5، 10، 11، 15-24 را در قسمت متن انتخاب تایپ کنید . |
5 | روی OK کلیک کنید . |
ظاهر مواد 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Surface 2 کلیک راست کرده و Material Appearance را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای ظاهر مواد ، بخش ظاهر را پیدا کنید . |
3 | از لیست ظاهر ، سفارشی را انتخاب کنید . |
4 | از لیست نوع مواد ، فولاد (خراشیده) را انتخاب کنید . |
5 | در نوار ابزار Volume Fraction of Fluid 1 (ls) ، روی  Plot کلیک کنید . |
مطالعه 1
در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی محاسبه کلیک کنید .
روی محاسبه کلیک کنید .نتایج
گروه طرح پروب 4
1 | در پنجره Model Builder ، در بخش Results روی Probe Plot Group 4 کلیک کنید . |
2 | در نوار ابزار Probe Plot Group 4 ، روی  Plot کلیک کنید . |
کسر حجمی سیال 1 (ls)
1 | در پنجره Model Builder ، روی Volume Fraction of Fluid 1 (ls) کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 3D Plot Group ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از لیست زمان (ها) ، 0.9 را انتخاب کنید . |
4 | در نوار ابزار Volume Fraction of Fluid 1 (ls) ، روی  Plot کلیک کنید . |
