آموزش گمبیت و فلوئنت (قسمت ۱)

با سلام خدمت تمامی هوافضایی های عزیز… خصوصا آیرودینامیکی ها و پیشرانشی های محترم… از امروز سلسله بحثهای آموزشی مکانیک سیالات عددی در قالب آموزش نرم افزار فلوئنت و گمبیت شروع میشه… در این سلسله مباحث قصد آموزش کار با نرم افزارهای گمبیت و فلوئنت رو داریم اما به صورت مسئله محور… شاید بیان یه مسئله خودش به طور کامل خیلی از مباحث آموزشی رو پوشش بده… بر همین اساس تصمیم گرفتیم که مسئله حل جریان حول یک ایروفیل رو به عنوان مسئله اصلی خودمون قرار بدیم و از صفر به شما بگیم که برای یه تحلیل درست و حسابی چی کار باید بکنیم و از کجا شروع کنیم….البته قبلش چندتا مسئله ساده رو طرح می کنیم و در مراحل نهایی مسئله ایروفویل رو میگیم و اگر بازم عمری باقی باشه این روند تا مسائل پیشرفته تر و سه بعدی دنبال خواهیم کرد.

اکثر دانشجوهای پر انرژی و علاقه مند به زمینه های سیالاتی برای اینکه هر چه زودتر وارد دنیای سیالات عددی بشن، یک راست میرن سراغ نرم افزار گمبیت و فلوئنت… این در حالیه که این عزیزان هیچ پشتوانه مفهومی از مباحث CFD و برخی از پارامترهای مطرح در این زمینه رو ندارند…. بنابراین برای ورود درست به دنیای مکانیک سیالات عددی باید مقداری در زمینه مباحث CFD ورود کنید…

نکاتی درباره مبحث CFD

بنا ندارم در اینجا مباحث CFD رو تشریح کنم اما اشاره ای به این زمینه می کنم…. CFD مخفف Computational fluids Dynamicsیا همون دینامیک سیالات محاسباتی هست. دلیل به وجود آمدن این شاخه در علم سیالات این بود که معادلاتی که برای حل جریان وجود داشت قابل حل نبودند… به عبارتی نمی تونیم این معادلات رو حل تحلیلی بکنیم… این معادلات معروف به معادلات ناویر استوکس هستند… برای همین شاخه ای به نام دینامیک سیالات محاسباتی به وجود اومد که با گسسته سازی این معادلات، می تونه جریان رو به صورت عددی حل کنه…

مبحث CFD به صورت سه واحد درسی در مقطع کارشناسی ارشد در رشته های مکانیک گرایش تبدیل انرژی و دینامیک سیالات و هوافضا گرایش آیرودینامیک و پیشرانش تدریس میشه… خیلی از دانشجویان کارشناسی هم علاقه مند به گرفتن این درس هستند که اگر صلاحیتش رو داشته باشند می تونند این درس رو به عنوان واحد درس اختیاری پاس کنند و در این زمینه نسبت به دانشجویان دیگه جلو بیوفتند… اگه کمی با مبحث CFD آشنایی پیدا کنید خواهید دید که نرم افزار فلوئنت بر اساس منطق حل حجم محدود- finite volume نوشته شده در حالی در خیلی از کلاسهای درسی CFD، مبحث تفاضل محدود-finite difference رو تدریس می کنند…. البته شاید خوندن همین مباحث تفاضل محدود هم، برای کار با فلوئنت کافی باشه اما اگر با رویکرد حجم محدود جلو برید خیلی بهتر خواهد بود. چون اون موقع توانایی کد نویسی هم خواهید داشت… به عبارت دیگه برای حل میدان های سیالاتی مختلف روش حجم محدود کاربرد داره و روش تفاضل محدود کارایی چندانی نخواهد داشت….

در کلاسهای CFD هم اغلب اساتید روش تفاضل محدود رو درس میدن و منبعشون هم کتاب سی افی دی هافمن هست… این کتاب سه جلدی هست که اغلب همون جلد اول رو تدریس می کنند. این کتاب رو برای دانلود توی سایت قرار دادیم. ضمنا ترجمه این کتاب هم فکر کنم در بازار کتاب موجود باشه… اسم کتاب ترجمه شده هافمن، دینامیک سیالات محاسباتی برای مهندسان هست که تصویرش رو در زیر می بینید:

اما همونطور که گفتیم یادگیری روش حجم محدود در حل عددی مسائل سیالاتی واجبتره… بر همین اساس توصیه میشه که علاقه مندان کتاب CFD پاتانکار رو بخونند… این کتاب رو هم در سایت قرار دادیم… ضمنا ترجمه این کتاب هم در بازار موجوده… عنوان کتاب:محاسبات عددی-کامپیوتری انتقال حرارت و حرکت سیالات، ترجمه محمد مقیمیان، تصویر کتاب هم در زیر اومده:

اگرچه در کلاس CFD که من هم گذروندمش، فقط مبحث تفاضل محدود کار شد… اما اساتیدی هم وجود دارند که در کلاسشون سریع وارد مبحث کاربردی حجم محدود میشن…یکی از این اساتید، دکتر حسینعلی پور یکی از اساتید قوی در زمینه CFD هست… ایشون عضو هیئت علمی مکانیک دانشگاه علم و صنعت ایران هستند و در کلاسشون به طور مبسوط به روش حجم محدود می پردازند… کتابی هم که ایشون معرفی میکنن همین کتاب پاتانکارهست که توضیحش رو در بالا دادم…. در اینجا جزوه درسی دکتر حسینعلی پور هم برای دانلود قرار دادیم (این جزوه از سایت مهندس یار گرفته شده است) :

(CFD ( www.mohandesyar.com

بنابراین کسایی که میخوان به طور جدی وارد این مباحث بشن از همین الان برنامه ریزی کنند و کتابهای مربوطه رو تهیه و مطالعات خودشون رو شروع کنند… تا درک بهتری از نرم افزار  فلوئنت داشته باشند…

نکته بعدی که قبل از کار با گمبیت و فلوئنت باید اشاره کنم اینه که باید علاقه مندان، با فیزیک جریان سیالات اشنا باشند… مبحث لایه مرزی آرام و آشفته از مباحث مهم هستند که باید حتما نسبت بهش دید داشته باشید… بنابراین حتما توصیه می کنم علاقه مندان حتما پس از گذروندن سه واحد درسی مکانیک سیالات 1، و هوافضایی ها هم بعد از گذروندون آیرودینامیک 1 وارد تحلیل های سیالاتی عددی بشن…به هر حال پیشنهاد میکنم قسمت لایه مرزی در کتاب آیرودینامیک اندرسون رو مطالعه بکنید… همچنین در مقطع ارشد دو درس تئوری لایه مرزی و توربولانس ارائه می شه که بازهم می تونه دید خوبی به دانشجوها بده البته اگه استاد درس بلد باشه انتقال مطلب بده… در هر صورت حتما لازم نیست که این دو درس رو پاس کنید..با خوندن مباحث درسیش هم میتونید یاد بگیرید. برای مثال جزوه با ارزش توربولانس که توسط دکتر مهدی صنیعی نژاد تدوین شده می تونه برای علاقه مندان مفید باشه:

مقدمه ای بر مفاهیم جریانهای آشفته و مدلسازی آنها

جریان سیال در لایه مرزی فیزیک متفاوتی با خارج اون داره و پیچیدگی های بیشتری در حل معادلات اون وجود داره… به طوری که حل معادلات دقیق بسیار سخت، زمان بر و پر از هزینه هست… برای همین دانشمندان تئوری های مختلفی برای حل جریان در این ناحیه داده اند…. این تئوری ها در نهایت منجر به مدلسازی های مختلفی شده که به این مدل ها، مدلهای توربولانسی گفته میشه…برخی از معروف ترین مدل های توربولانسی در نرم افزار فلوئنت قرار داده شده … با شناخت این مدلها و کاربردهاش می تونید به درستی از اونا در حل مسائل نرم افزار فلوئنت بهره ببرید.

نتیجه اخلاقی(!): نتیجه میگیریم که تا وقتی که درس مکانیک سیالات 1 رو پاس نکردید کلا به فلوئنت و گمبیت فکر نکنید….. و اینکه در صورت پاس کردن درس CFD1 و آشنایی با مباحث لایه مرزی و توربولانس به طور کامل آمادگی خواهید داشت که فلوئنت رو با قدرت و تسلط کامل شروع کنید…