تعامل سیال و سازه (FSI) در کامسول COMSOL
- آموزش مدلسازی انواع مختلف مسائل FSI در نرم‌افزار کامسول
- منبع: مثال‌های نرم‌افزار کامسول
- مدرس: علی داودالحسینی، کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اصفهان
- بررسی و تحلیل 8 پروژه مختلف در این مجموعه
- 4 ساعت و 40 دقیقه آموزش مفید
- سطح: پیشرفته
- دسترسی به تمام جلسات بلافاصله پس از ثبت نام
1-بررسی سقوط آزاد یک توپ
2-شبیهسازی همزن
3-جابجایی تیر در مسیر جریان آشفته Turbulent
4-چرخش سازه تحت تأثیر میدان دو فازی Two-Phase Flow
5-تیر نوسانگر در مسیر سیال
6-برداشت انرژی از تیر نوسانگر در مسیر سیال با استفاده از پیزوالکتریک
7-شبیهسازی جریان خون در رگها
تصاویری از شبیه‌سازی‌های انجام شده در دوره تعامل سیال و سازه در کامسول COMSOL
مدلسازی سقوط ازاد
مدلسازی جریان خون در رگ
مدلسازی میکسر
ارتعاش تیر در سیال
تیر پیزوالکتریک در جزیان مغشوش
شبیه سازی جریان دوفازی با FSI
مقدمه مبحث تعامل سیال و سازه (FSI)
تعامل سیال و سازه یا Fluid-Structure Interaction و یا به اختصار FSI در یک دهه اخیر و به علت گستره وسیع و متنوع حوزه‌های کاربردی‌اش به یکی از موضوعات پرطرفدار نه تنها در رشته مهندسی مکانیک بلکه در اغلب رشته‌ها تبدیل شده است. البته این روند رو به افزایش در استفاده از مبحث FSI و مدل‌سازی‌های مرتبط با آن در رشته‌های مختلف آنچنان هم دور از ذهن نمی‌باشد. فقط کافیست به اطراف خود نگاهی بیندازید تا متوجه شوید حتما در نزدیکی شما جسم جامدی (سازه) در همسایگی هوا یا آب (سیال) قرار دارد و اگر بررسی اثرات این دو بر هم مهم باشد آنگاه مبحث تعامل سیال و سازه برجسته خواهد شد. در ادامه به بررسی مبحث تعامل سیال و سازه (FSI) در کامسول COMSOl نیز پرداخته می‌شود.
کاربردهای تعامل سیال و سازه (FSI)
یک مثال ساده در این حوزه هم زدن چایی به وسیله یک قاشق است که می‌تواند یک مسأله FSI یک طرفه باشد. در مورد یک طرفه یا دو طرف بودن کوپل FSI در ادامه و در بخش “نحوه مدلسازی تعامل سیال و سازه (FSI) در کامسول COMSOL” صحبت خواهد شد. همانگونه که اشاره شد کاربردهای مبحث تعامل سیال و سازه (FSI) بسیار زیاد است از صنایع هوایی و نظامی گرفته تا کاربردهای پزشکی. اگر بخواهیم بطور جزئی‌تر اشاره کنیم در صنایع پزشکی برخورد جریان خون (سیال) با دیواره‌های رگها (سازه) یکی از زیرمجموعه‌های مبحث تعامل سیال و سازه است. علاوه بر آن هر نوع بافت زیستی را که در مسیر حرکت جریان خون قرار گیرد می‌توان با روش FSI تحلیل کرد.
در طراحی خودروها نیز از آنجا که نوع طراحی بدنه و مسیر عبور جریان باد در افزایش سرعت تأثیر بسزایی دارد از مبحث FSI به منظور بهینه‌سازی طراحی استفاده می‌شود. بطوریکه اگر با مسابقات فرمول وان آشنا باشید می‌دانید که مهندسان تیم‌ها همیشه در حال کار بر روی طراحی و بهبود بدنه خودروها می‌باشند تا در رقابت‌هایی که صدم ثانیه‌ها تعیین کننده تیم برنده است بتوانند از سایر تیم‌ها پیشی بگیرند.
در صنایع نظامی و هوانوردی و بطور دقیق‌تر طراحی هواپیماها و موشک‌ها به علت حساسیت بدنه‌ی هواپیماها در برخورد با جریان باد و اهمیت بررسی میزان تغییرشکل‌ها و تنش‌های ناشی از این برخورد، تعامل بین سیال و سازه مورد بررسی قرار می‌گیرد.
مبانی تعامل سیال و سازه (FSI)
همانگونه که از عنوان این موضوع نیز مشخص است در این مبحث هم معادلات ساختاری جامد و هم معادلات ساختاری سیال مهم می‌شود . بنابراین لازمه تسلط بر این مبحث داشتن اطلاعات کافی درباره معادلات ساختاری هر دو نوع ماده است.
معادلات ساختاری سازه
تنش و کرنش یا به بیانی دیگر نیرو و جابجایی مهم‌ترین مؤلفه‌های تشکیل دهنده معادلات یک سازه می‌باشند. این که این دو مؤلفه (بطور مثال تنش و کرنش) با چه رابطه‌ای بهم مرتبط شوند (خطی، غیرخطی، توانی، خزشی …) بستگی به تئوری مورد استفاده دارد که با استفاده از آزمایش و بررسی رفتار ماده حاصل می‌شود. معمولاً در شبیه‌سازی‌هایی که جابجایی‌ها کوچک باشد و بتوان از یک سری از جملات در معادلات ساختاری چشم‌پوشی کرد، از تئوری الاستیک خطی استفاده می‌شود. در یک مدلسازی سازه (بدون حضور سیال)، در نهایت سه مقدار جابجایی در سه جهت X, Y, Z ، هم‌چنین 9 مقدار تنش در تانسور تنش بدست می‌آید. در ادامه معادلات تعادل حاکم بر یک سازه نشان داده شده است.
که در آن سیگما تنش، f نیرو و a شتاب حرکت است و در حالت ماتریسی و تانسوری معادلات به شکل زیر درمی‌آید:
که شتاب را می‌توان بصورت زیر به مؤلفه‌های جابجایی و زمان تجزیه نمود:
معادلات ساختاری سیال
در طرف دیگر اما سیال وجود دارد. معادله اصلی حاکم بر سیالات معادله ناویر-استوکس Navier-Stokes نام دارد که از ترکیب دو قانون بقای جرم و بقای مومنتوم بدست می‌آید و به شکل زیر نوشته می‌شود:
برای جریان سیال طبقه‌بندی‌های مختلفی وجود دارد که مهم‌ترین آن‌ها به شرح زیر است:
-قابل فشرده شدن و غیرقابل فشرده شدن
-نیوتونی و غیرنیوتونی
-آرام و مغشوش
با تغییر کردن هر یک از فرضیات بالا معادلات می‌تواند دستخوش تغییر شود.
معادلات ساختاری تعامل سیال و سازه (FSI)
وقتی صحبت از معادلات تعامل سیال و سازه می‌شود باید بدانیم هیچ معادله جدیدی نسبت به آنچه در دو قست قبل گفته شد وجود ندارد. در واقع با ترکیبی از آن دو روبرو هستیم بدین صورت که در مرز سیال و سازه یک سری انتقال اطلاعات رخ می‌دهد. بطور مثال اگر سیالی با یک سرعت خاص به یک سازه برخورد نماید، در مرز برخورد تعدادی از متغیرهای وابسته مربوط به هر دو دامین (Domain) سیال و سازه مقادیر یکسان پیدا می‌کنند و از این برابری به منظور حل معادلات ساختاری در مرز و استخراج تنش‌ها و تغییرشکل‌ها استفاده می‌شود.
نحوه مدلسازی تعامل سیال و سازه (FSI) در کامسول
اگر با نرم‌افزار کامسول آشنایی داشته باشید می‌دانید که نحوه کوپل کردن تمام محیط‌ها از یک روش واحد تبعیت می‌کند. برای مدلسازی تعامل سیال و سازه (FSI) در کامسول COMSOL ابتدا باید دو محیط Solid Mechanics و Fluid Flow اضافه شود و سپس از بخش مربوطه محیط‌های کوپل‌کننده این دو (Multiphysics) انتخاب شود. البته روش دیگری نیز وجود دارد و آن انتخاب فیزیک FSI در لیست مربوطه در بخش فیزیک‌ها می‌باشد که با انتخاب یکی از آن‌ها تمامی موارد گفته شده اضافه می‌شود.
همانگونه که در لیست بالا نیز مشاهده می‌فرمایید امکان کوپل محیط FSI با محیط‌های Multibody Dynamic و Heat Transfer نیز وجود دارد.
نکته قابل توجه دیگر وجود عبارت‌هایی همچون Fixed Geometry در انتهای نام Fluid-Solid Interaction است. در ابتدای این مقاله اشاره‌ای به وجود انواع مختلف مدل‌های FSI همانند کوپل یک طرفه و کوپل دو طرفه شد. گاهی اوقات شرایطی پیش می‌آید که ما نیاز به درنظرگرفتن کوپل کامل بین سیال و سازه نداریم و می‌توانیم با فرض کردن شرایطی معادلات را ساده‌تر و هزینه حل را از لحاظ حافظه (Memory) و زمان حل (Solution Time) کاهش دهیم.
FSI یک طرفه یا One Way FSI
گاهی شرایطی پیش می‌آید که در مرز واسط بین سیال و سازه اثرگذاری یکی از محیط‌ها بر دیگری بیشتر است. بطور مثال یک همزن را فرض کنید. وقتی همزن در یک مایع بکار گرفته می‌شود سیال درون ظرف شروع به چرخش می‌کند اما این چرخش سیال هرگز نمی‌تواند باعث تغییر شکل میله‌های فلزی همزن شود. اگرچه باید حرکت چرخشی سازه به مدل معرفی شود اما می‌دانیم که علت این چرخش حرکت سیال درون ظرف نیست.
برعکس این حالت نیز وجود دارد. یعنی علت اصلی تعامل سیال و سازه و شروع کننده این تعامل جریان سیال است. بطور مثال برخورد جریان باد به یک پنل خورشیدی. در این شرایط جریان باد ممکن است تنها باعث جابجایی‌های کوچک در سازه شود.
در تمام این حالت‌ها فقط تأثیر یکی از دامین‌ها بر دیگری درنظر گرفته می‌شود. به همین علت به آن کوپل یک طرفه گفته می‌شود که در این حالت هزینه حل بسیار کاهش پیدا می‌کند.
FSI دو طرفه یا Fully Coupled FSI
در این نوع از مسائل یک اثرگذاری دو طرفه را هم از سمت سیال هم از سمت سازه شاهد هستیم. شرایطی را فرض کنید که سیال با جریان خود باعث تغییر شکل سازه شود و در ادامه این تغییر شکل سازه بر جریان سیال اثرگذار باشد. قاعدتاً بعد از تأثیر سازه بر سیال محیط سیال دچار جابجایی می‌شود و باید از گزینه‌ای استفاده شود که بتوان با آن حرکت مش‌ها را مدلسازی کرد. به عنوان مثالی از این حالت یک میله با مدول یانگ پایین یا یک غشا در جریان آب تصور کنید که هم سرعت جریان باعث تغییرشکل میله می‌شود و هم جابجایی میله باعث اثرگذاری بر مسیر حرکت سیال ی‌شود.
جمع‌بندی مبحث تعامل سیال و سازه (FSI) در کامسول COMSOL
در این مقاله سعی شد تا علاوه بر بررسی تئوری‌های حاکم بر این مبحث، به اختصار توضیحاتی در مورد نحوه مدلسازی FSI در کامسول و ساده‌سازی‌هایی که می‌توان انجام داد ارائه شود. البته که برای مدلسازی صحیح در این حوزه ابتدا باید بر خود نرم‌افزار و بخش‌های اصلی آن مسلط شوید که برای این کار می‌توانید از آموزش‌های همین سایت یعنی وبسایت کامسولینک بهره ببرید. لیست دوره‌ها را می‌توانید از طریق این لینک یا از انتهای صفحه مشاهده بفرمایید. در ادامه می‌بایست با مثال‌های موجود در خود نرم‌افزار آشنا شوید و تک تک نکات موجود در آن مثل‌ها را مسلط شوید. وبسایت کامسولینک در تلاش است تا یک دوره مختص محیط FSI در کامسول گردآوری کند که به محض آماده شدن دوره، می‌توانید آن را از طریق همین صفحه تهیه بفرمایید.
به منظور انجام پروژه کامسول
ضبط آموزش اختصاصی برای فراگیر
پشتیبانی کامل از آموزش
من این دوره و دوره ی لایولینک متلب را تهیه کردم. هر دو واقعا خوب بودند. دوره ی تعامل سازه-سیال مثالهاش کامل بود. بخصوص ربات زیر سطحی که کوپل سیال بود با فیزیک مالتی داینامیک (نه فیزیک سالید مکانیک) که برای کاری که میخواستم و تعریف کانتکت ها مفید بودش. خیلی ممنونم از کامسولینک