برهم کنش سازه و سیال در ANSYS-FSI

قاسم موسوی کارشناس هوافضا: یکی از قابلیت‌های نرم‌افزار انسیس حل برهم‌کنش سازه و سیال می باشد که به آن FSI – Fluid Structure Interaction  می گویند. در این روش بعد از حل سیال و بدست آوردن نیروهای آیرودینامیکی و اثرات دنباله های آن ، نیروها را به حلگر سازه منتقل می کند و تغییر شکل حاصل را بار دیگر توسط حلگر coupling به نرم افزار سیال انتقال داده می شود.

برای مثال می توانید در فیلم های زیر ببینید که چگونه سیال بر سازه اثر گذاشته و آن را تغییر شکل می دهد:

برای حل مسائل FSI باید معادلات حاکم برای سیال و سازه حل شوند.حلگرهای کوپله باید دو شرایط مهم را بررسی کنند که این شرایط kinematic و dynamic می باشد.
Kinematic : برای بررسی شرایط حرکت
Dynamic : برای بررسی نیروها و تنش های ایجاد شده مورد استفاده قرار می گیرند.

برای بررسی FSI دو روش وجود دارد :
- روش اول ، با گسسته سازی سیستم سیال و سازه ، معادلات حاکم بر این دو سیستم را حل می کند که به این روش  Monolithic – Fully coupled گفته می شود. در این روش باید شبکه بندی های (Mesh) سازه و سیال باهم تطابق داشته باشند. این روش نسبت به روش های دیگر بسیار قوی می باشد اما نیازمند یکپارچه سازی سیستم های سیال و سازه می باشد.

- روش دوم ، در این روش حلگرهای سازه و سیال می توانند به صورت جدا گانه حل شوند (پی در پی حل شوند) در این روش شبکه ها می توانند با هم مطابقت نداشته باشند که روشی سریع و کارآمد است، که به این روش Partitioned یا staggered می گویند.

one-way Coupling :

در این روش مقادیر حل از یک دامین به دامین دیگر منتقل می شود ولی عکس این روش اتفاق نمی افتد. مثلا فشار باعث تغییر شکل سازه می شود اما این تغییر شکل مجددن به حلگر سیال انتقال نمی یابد. این روش برای سازه های ایی مناسب است که باعث تغییر شکل بزرگ نمی شوند.

two-way Coupling :

در این روش اطلاعات سازه و سیال به طور مداوم به یکدیگر انتقال داده می شود.به عنوان مثال فشار وارد بر سازه باعث تغییر شکل سازه شده و این تغییر شکل به مجددن به حلگر سیال انتقال داده می شود و این روند تا زمان همگرا شدن سازه و سیال ادامه می یابد.

معادلات حاکم برای سیال

معادلات حاکم بر سیال ترکیبی از معادلات بقاء جرم و مومنتوم می باشند. باید توجه داشت که اگر سیال غیر تراکم پذیر باشد این معادلات حل می شوند و برای سیال تراکم پذیر معادله انرژی نیز به این معادلات بقاء اضافه می شود.

معادلات حاکم برای سازه

مانند سیال ، تئوری مکانیک جامدات نیز از معادلات :جرم، مومنتوم و انرژی تشکیل شده اند به عبارتی دیگر مومنتوم ارتباط میان تنش و کرنش را بیان می کند که همان رابطه هوک برای تغییر شکل های خطی جسم ( σ=Eϵ )است.

شرایط Coupling :

شرایط مرزی لازم برای حلگر سازه و سیال شرابط kinematic & Dynamic می باشند.
در شرایط kinematic باید سازه و سیال شرایط یکسان در سطح داشته باشند که همان شرط عدم لغزش (No-slip) می باشد.
در شرایط dynamic نیز باید در همان حالی که شرایط no slip چک می شود باید بررسی شود که سازه در حالت محلی خود قرار دارد یا نه، که این شرایط می توانند تنش یا نیروی وارد بر سیال و سازه باشند.

بررسی مثال FSI در نرم افزار انسیس :

در نرم افزار ANSYS Workbench برای حلگر سازه از ماژول ANSYS mechanical و برای حلگر سیال از نرم افزار Fluent و یا CFX استفاده می کند، که این دو نرم افزار توسط ماژول SYSTEM Coupling به یکدیگر متصل می شوند.

دیاگرام Coupling

- بررسی مثال FSI در ANSYS WB

به عنوان مثال می خواهیم مسئله ای را بررسی کنیم که جریان هوا از روی یک مکعب با سرعت ۲۷۷ متر بر ثانیه عبور می کند و به این مکعب در زمان ۶ ثانیه نیروی رو به بالا ۱۰۰۰۰ پاسکال اعمال می کنیم و سپس آن نیرو را رها می کنیم ، در آخر بیشترین جابه جایی و دنباله های پشت این مکعب را مشاهده می کنیم.

میدان سیال

نیروی وارد به مکعب

بعد از اعمال شرایط مرزی سیال و سازه، نرم افزار توسط ماژول سیستم کوپلینگ به حل مسئله می پردازد و بعد از حل مسئله نتایج بدست آمده را استخراج می کنیم :

کانتور فشار روی مکعب و Stream line در ثانیه اول

کانتور فشار روی مکعب و Stream line در ثانیه ششم

کانتور جابه جایی در ثانیه ششم

4 دیدگاه درباره “برهم کنش سازه و سیال در ANSYS-FSI

  1. Reza bahari

    با سلام و عرض خسته نباشید،
    میخواستم لطف کنید و اگر برایتان مقدور است جواب سوال اینجانب را بدهید: چنانچه کسی کارشناسی ارشد مهندسی هوافضا را دارد و میخواهد برای دکترا به اروپا سفر کند، کدام رشته مهندسی غیر از هوا فضا برای این فرد میتواند مناسب باشد؟ واصولا چنین فردی در چه رشته هایی از مهندسی و در چه زمینه هایی میتواند دکترا را ادامه دهد و همان طور که عرض کردم در رشته ای غیر از هوا فضا،و چنانچه بعد دکترا بخواهد به ایران عزیمت کند، بتواند برای خودش و مملکتش اثر گذار باشد،
    ممنون میشوم که جواب این سوال بنده را بدهید

    پاسخ
  2. ******

    عالی بود.
    نرم افزار بسیار کاربردی ای هست و موضوع مطرح شده و بررسی شده واقعا مورد نیاز و مناسب.
    با سپاس فراوان.

    پاسخ
  3. حسن

    با سلام با تشکر سوالی داشتم در این خصوص که روش fsi می تواند سرعت پروانه یک توربین را برای دبی های مختلف ورودی محاسبه کند

    پاسخ

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *