جابجایی زیردریایی، روش مش دینامیکی، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

توضیحات

جابجایی زیردریایی در آب، روش مش دینامیکی (یک درجه آزادی)، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

شرح پروژه (زیردریایی)

هدف از مسأله حاضر، شبیه سازی عددی حرکت یک زیردریایی (submarine) به کمک روش مش دینامیکی (dynamic mesh) با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) است.

در این شبیه سازی، یک دامنه محاسباتی شامل هوا و آب با سطح معینی از آب طراحی شده است؛ به طوری که یک زیردریایی در این منطقه قرار دارد.

در ابتدا یک زیردریایی برای این شبیه سازی طراحی شد و سپس یک دامنه محاسباتی متشکل از دو فاز هوا و آب در اطراف زیردریایی طراحی شد.

مدل حاضر را با استفاده از نرم افزار دیزاین مدلر (Design Modeler) به صورت سه بعدی مدل‌سازی می‌کنیم. این مدل شامل یک دامنه محاسباتی با جریان هوا و آب و یک زیردریایی در این منطقه است.

این ناحیه محاسباتی دارای بخشی به نام بخش ورودی و خروجی است و چهار وجه اطراف این ناحیه دارای شرایط تقارن (symmetry) هستند.

ما مش بندی مدل را با استفاده از نرم افزار انسیس مشینگ (ANSYS Meshing) انجام می‌دهیم. مش بندی از نوع بدون سازمان (unstructured) بوده و تعداد 316846 سلول ایجاد شده است.

روش‌های استفاده شده

از آنجایی که این زیردریایی در محدوده دامنه محاسباتی حرکت می‌کند و درنتیجه بر سلول‌های شبکه اطراف اثر می‌گذارد، نیاز به تغییرات لحظه‌ای و وابسته به زمان در مش بندی براساس نوع جابجایی در مرزهای مجاور مش وجود دارد.

بنابراین، مدل مش دینامیکی (dynamic mesh) تغییر آنی مش بندی را تعریف می‌کند. در تعیین روش های مش دینامیکی، از روش‌های هموارسازی (smoothing) و مش بندی مجدد (remeshing) استفاده شده است. در تعیین نواحی تحت مش دینامیکی، قسمت دیواره زیردریایی به عنوان جسم صلب (rigid body) تعریف می‌شود.

از آنجایی که زیردریایی فقط یک درجه آزادی دارد (1-DOF) و فقط می‌تواند حول محور مرکزی خود (محور x) بچرخد و در درجات دیگر محدود است و حرکت انتقالی یا چرخشی ندارد، از تابع تعریف شده توسط کاربر (UDF) برای تعریف استفاده می‌کنیم.

تابع UDF حرکت چرخشی زیردریایی به گونه‌ای تعریف شده است که در بازه صفر تا سه ثانیه از این مدل سازی، مقدار سرعت چرخشی بین 1.5+ رادیان بر ثانیه و 1.5- رادیان بر ثانیه تغییر می‌کند.

لازم به ذکر است که در تنظیمات بخش مربوط به جسم صلب باید مختصات مکانی مرکز ثقل زیردریایی (center of gravity) و همچنین محور چرخش آن تعریف شود.

از آنجایی که زیردریایی در یک دامنه محاسباتی با دو فاز آب و هوا در حال حرکت است، باید از مدل جریان چند فازی حجم سیال (volume of fluid (VOF)) استفاده شود. به طوری که هوا در قسمت بالایی ناحیه محاسباتی و آب در قسمت پایین آن تعریف می‌شود.

از آنجایی که فرض می‌کنیم زیردریایی در آب دریا حرکت می‌کند، رفتار موج به عنوان جریان آب وارد دامنه محاسباتی تعریف می‌شود. برای این کار، باید گزینه شرط مرزی موج کانال باز (open channel wave BC) فعال شود.

بنابراین، جریان آب ورودی با دبی متوسط معادل 10 m/s در جهت افقی (محور x) وارد می‌شود. بنابراین، پایین موج در ارتفاع 10.16- متر و قله آن در ارتفاع صفر متر تعریف می‌شود.

جریان هوای ورودی نیز با شرط فشار ورودی برابر با فشار اتمسفر (فشار نسبی صفر) وارد منطقه می‌شود. درنهایت، جریان هوا با فشاری برابر با فشار اتمسفر تخلیه می‌شود.

با توجه به ماهیت اصلی مدل مبتنی بر استفاده از مش دینامیکی، فرآیند شبیه سازی باید بر حسب زمان (Transient Solver) تعریف شود. فرآیند شبیه سازی در مدت زمان سه ثانیه با گام زمانی 0.01 ثانیه انجام می‌شود. شبیه‌سازی به صورت ناپایای زمانی (unsteady) است؛ زیرا از روش مش دینامیکی استفاده می‌کنیم.

نتایج

در پایان فرآیند حل، کانتورهای (contour) دو بعدی مربوط به سرعت و کسر حجمی (volume fraction) هر یک از فازهای آب و هوا، و همچنین خطوط مسیر (pathline) دو بعدی در مناطق اطراف زیردریایی را به دست می‌آوریم.

ما این کانتورها را به صورت محلی در صفحه‌ای عمود بر محور افقی زیردریایی (موازی با صفحه Y-Z) به دست می‌آوریم.

ما این کانتورها را در زمان‌های مختلف فرآیند شبیه‌سازی ارائه می‌کنیم. طبق UDF تعریف شده، زیردریایی حول محور مرکزی خود (محور x) می‌چرخد و این حرکت چرخشی دارای حرکات رفت و برگشتی در جهت عقربه‌های ساعت و خلاف جهت عقربه‌های ساعت در طول زمان است.