در سال 1980 شرکت Flow Science به منظور تولید یک محصول جدید برای شبیه سازی دینامیک سیالات محاسباتی به منظور کاربردهای تجاری و آکادمیک تاسیس شد. در سال 1985 این شرکت بسته نرم افزاری چند منظوره Flow-3D را که یک بسته نرم افزرای جامع و دقیق در زمینه دینامیک سیالات محاسباتی است و از تکنیک های عددی پیشرفته ای برای حل معادلات سه بعدی حرکت سیال در مسائل چند فازی استفاده می کند، روانه بازار کرد. این نرم افزار از تکنیک TruVOF برای مدلسازی سطح آزاد جریان استفاده می کند. جهت مدلسازی موانع جامد و هندسه مساله، این نرم افزار از تکنیک انحصاری و بسیار قوی FAVOR استفاده می کند. این تکنیک باعث شده است که هندسه و شبکه بندی مساله با هم وابسته نباشند و هندسه های بسیار پیچیده با یک شبکه بندی ساده قابل شناسایی باشند. استفاده از این نرم افزار به سرعت در حال گسترش بوده و به عل سهولت استفاده و در عین حال دقت بالا در شبیه سازی پدیده های هیدرولیکی مختلف، مهندسان اقبال فراوانی به این نرم افزار نشان می دهند. کتاب حاضر ترجمه ای از کتابچه راهنمای استفاده از نرم افزار می باشد که علاوه بر آن به بیان تئوری مطالب نیز پرداخته و با حل یک مثال به صورت گام به گام نحوه استفاده از نرم افزار را به کاربران آموزش می دهد.
مقدمه
در حال حاضر نزديك به دو ميليارد انسان از دسترسي به آب مناسب و شيرين كه براي بهداشت و زندگي، يك عنصر اساسي بشمار مي‌رود، محرومند. خشكسالي، آلودگي منابع آب و كمبود آن، ميليون ها انسان را با مشكلات فراوانی روبرو ساخته و عرصه را بر آنان تنگ کرده است. در بسياري از نقاط دنيا، تقاضا براي آب از مرز منابع قابل استحصال عبور نموده و اگر در گذشته مشكلات استحصال آب در مقياس محلي مطرح بود، اكنون و در آينده اين مشكلات در مقياس ملي، منطقه‌اي و حتي جهاني شدن بروز خواهد كرد و كمبود آب شيرين موجب خواهد شد كه حفظ صلح، تامين امنيت و تهيه غذا و توسعه پايدار در سطح جهاني با چالش‌هاي بزرگي مواجه گردد. حتماً اصلي‌ترين قربانيان اين وضع، كشورهاي در حال توسعه و جهان سوم خواهند بود، چرا كه بخش عمده زمين‌هاي آن ها در نواحي كم آب جهان قرار داشته، جمعيت فراوان و فن‌آوري ضعيف، تنش هاي سياسي و اقتصادي و محدوديتهاي شديد منابع مالي، امكان مقابله با بحران ناشي از منابع آب را براي آن ها به شدت محدود مي‌سازد.
با این وجود یکی از راه‌های مقابله با کمبود آب، ساخت سد و ذخیره‌سازی و انتقال آب برای مصارف کشاورزی، شرب و صنعت می‌باشد. طرحهاي سدسازي از جمله طرحهاي مهم مهندسي هستند كه نقش انكارناپذيري در اقتصاد ملي ايفا مي‌كنند. اين طرح‌ها به لحاظ پيچيدگي‌هاي فني، ساختماني و آثار زيست محيطي از اهميت ويژه‌اي برخوردار بوده و احداث آن ها مستلزم سرمايه‌گذاري‌هاي هنگفتي مي‌باشد. به همان نسبت كه اجراي طرحهاي سدسازي نقش پر اهميت خود را در اقتصاد کشور و منطقه بجاي مي‌گذارند، عملكرد ناصحيح آن ها بويژه در شرايطي كه رفتار نامطلوب سد منجر به خرابي‌ها و تلفات جاني و مالي شود، فاجعه‌آميز خواهد بود. به اين لحاظ حصول اطمينان از عملكرد صحيح و ايمن طرحهاي سدسازي امري است كه مسئوليت سنگيني را بر دوش مطالعه‌كنندگان، طراحان و سازندگان طرحهاي ياد شده قرار مي‌دهد. لذا شناخت عملکرد صحیح یک سازه آبی پُرخرج، قبل از احداث آن، از اهمیت خاصی برخوردار خواهد بود.
از ابزارهای مهم شناسایی رفتار جریان در سيالات، استفاده از مدلهاي فيزيكي و عددي می‌باشد. که در این بین مدل‌های عددی به دلیل سرعت کار، هزینه کم و قابلیت آن‌ها در مدلسازی با مقیاس واقعی، در جايگاه ويژه‌اي براي طراحان قرار گرفته است. نرم‌افزار Flow-3D يکي از مدلهاي قوي در زمينة ديناميک سيالات محاسباتي است که امروزه محدودة کاربرد بسيار وسيعي در زمينه‌‌هايي چون هيدروليک، ريخته‌‌گري، خودروسازي، محيط زيست، هوافضا، علوم دريايي و نفت و گاز پیدا کرده است. این مدل با وجود امکان کاربرد در انواع سيالات، بدليل ويژگي‌‌هايي که دارد، به طور خاص در کاربردهاي هيدروليکي راه يافته و جواب‌‌هاي قابل قبولي نيز در اين زمينه ارائه داده است. همين امر باعث گسترش کاربران اين مدل و رفع نواقص و محدوديتهاي آن شده است. مدل Flow-3D، در مقايسه با ساير مدلهاي موجود در زمينة ديناميک سيالات محاسباتي، داراي دامنة وسيعي از کاربردها و قابليت‌‌ها است. این نرم‌افزار کاربر دوست بوده و رابط گرافيکي بسيار قوي دارد که کار با آن را آسان‌‌تر می‌‌کند.
مترجمین این کتاب امید دارند که اين مجموعه بتواند راهگشایی برای محققین، کارشناسان و دانشجویان در شبيه‌سازي مسائل سيالاتي بوده و گامی هر چند کوچک در راستای ارتقای علمی ایشان بردارد. در ترجمه کتاب سعی شده است که ضمن حفظ امانت، انتقال مفاهیم بطور صحیح صورت گیرد. بدیهی است متن بدین لحاظ خالی از اشکال نمی‌باشد. موجب امتنان مترجمین خواهد بود، که همکاران و دانشجويان ارجمند اشکالات و ایرادات کتاب را به مترجمین متذکر شوند.
مرتضي ماروسي، رضا روشن، حامد سركرده
فهرست مطالب
فصل 1 كليات 1
1.1 مقدمه 2
فصل 2 تئوری‌های حل معادلات در ديناميك سيالات محاسباتي 7
2.1 معادلات حاکم بر جريان سيال و مفاهيم اوليه در مدل‌سازي عددي 8
2.2 جريان آرام و آشفته، كليات 8
2.2.1 جريان آرام 8
2.2.2 جريان آشفته 8
2.2.3 تشخيص آرام يا آشفته بودن يک جريان 8
2.2.4 معادلات حاكم بر جريان سيالات 9
2.2.5 معيار صاف بودن يا زبر بودن يك سطح 10
2.2.6 توابع ديواره 11
2.3 معادلات حاكم بر جريان آشفته 13
2.3.1 متوسط‌گيري زماني 13
2.3.2 معادلات حرکت جريان‌های آشفته 14
2.3.3 معادله پيوستگي براي جريان آشفته 15
2.3.4 معادله ممنتم براي جريان آشفته 15
2.4 كليات مدل‌سازي عددي 17
2.4.1 طبقه‌بندي معادلات ديفرانسيل جزئي مرتبه دوم 17
2.4.2 مولفه‌هاي مدل‌سازي عددي 18
2.4.3 خصوصيات مشترك روش‌هاي عددي 19
2.4.4 روش تفاضل محدود 19
2.4.5 الگوهاي حل صريح و ضمني 24
فصل 3 مروری بر مبحث تئوری در نرم‌افزار Flow-3D 27
3.1 سيستم‌هاي مختصات 28
3.2 معادلات بقاي جرم و تغييرات آن 28
3.3 معادلات مومنتم 30
3.4 تنش برشي ديواره 32
3.5 ارزيابي ويسكوزيته 32
3.6 افت ناشي از صفحات متخلخل 33
3.7 سيستم مختصات شتابدار 34
3.8 مرزهاي سيال و سطح آزاد 35
3.9 مدلهاي كمكي 36
3.9.1 مدلهاي حباب و مناطق تهي 36
3.9.2 مقدار باقي‌مانده تبخير 40
3.9.3 مدل جريان‌هاي بويانسي (شناور) 40
3.9.4 مدل 41
3.9.5 مدل پروانه و پره 45
3.9.6 مدل شي متحرك (GMO) 46
3.9.7 مدل محيط‌هاي متخلخل 47
3.9.8 مدل فرسايش رسوب 54
3.9.9 مدل آب‌هاي كم عمق 60
3.10 مدلهاي آشفتگي 62
3.10.1 مدل طول اختلاط پراندتل 62
3.10.2 مدل گردابه‌‌هاي بزرگ 66
فصل 4 رابط كاربر 69
4.1 مرور كلي 70
4.2 منوی اصلی 70
4.2.1 منوی فايل (File menu) 71
4.2.2 منویDiagnostics 75
4.2.3 منوی Preference 76
4.2.4 منوی Utilities 77
4.2.5 منوی Simulate 79
4.2.6 منوی Help 80
4.3 سربرگ NAVIGATOR يا هدايتگر 80
4.4 آماده‌كردن مدل (MODEL SETUP) 81
4.4.1 General 81
4.4.2 Physics 84
4.4.3 Fluids 87
4.4.4 سربرگ Meshing & Geometry 88
4.4.5 انتخاب شرايط مرزي 113
4.4.6 تعيين شرايط اوليه 115
4.4.7 خروجي 116
4.4.8 تعيين مشخصات عددی مدلسازی 119
4.5 سربرگ شبيه‌سازی 120
4.6 سربرگANALYZE 123
4.6.1 Custom Plots 127
4.6.2 Probe Data 127
4.6.3 One-Dimensional Plots 129
4.6.4 Two-Dimensional Plots 130
4.6.5 Three-Dimensional Plots 132
4.6.6 قسمت Text Output 135
4.6.7 Neutral File 135
4.7 سربرگDISPLAY 137
4.7.1 قسمت 2-D Format Display Mode 137
4.7.2 3-D Format Display Mode 141
فصل 5 معرفی مدل‌های موجود در نرم‌افزار 151
5.1 انتخاب مدل آشفتگي و تنظيمات آن 152
5.2 تعيين شتاب گرانش در شبيه‌سازي 154
5.3 شبيه‌سازي جريان‌هاي با سطح آزاد 154
5.4 ورود هوا به جريان 155
5.5 تعيين زبري قسمت‌هاي مختلف مدل 156
5.6 انتخاب شرايط مرزي 157
5.7 شبيه‌سازي جريان‌هاي با عمق كم 165
5.8 فعال كردن مدل فرسايش رسوب 166
5.9 تنش سطحي 167
5.10 تبخير از سطح آزاد 169
5.11 تنش ديواره 171
5.12 مش‌هاي چند بلوكه‌اي 174
5.13 ذرات جرم دار و ردياب 175
5.14 مدل Drift Flux 178
5.15 جريان بويانسي 180
5.16 عبور جريان از صفحات متخلخل 181
5.17 جريان با دانسيته متغير 186
5.18 سطوح گذرنده جريان 187
5.19 جريان تراکم‌پذير 188
5.20 مسير طي شده به وسيله سيال 190
5.21 موج‌هاي صوتي 190
5.22 حباب‌های آدياباتيک 191
5.23 تقريب مواد بينگهام 193
5.24 كاويتاسيون و تشكيل حباب (جوشش) 194
5.25 تبخير/ ميعان (يک سيال با حباب‌هاب حرارتی) 196
5.26 تبخير/ ميعان (مدل دوسياله) 198
5.27 تبخير/ ميعان (دو سيال با گاز غير قابل ميعان) 199
5.28 جريان محدود شده (Confined flow) 201
5.29 كانال‌هاي خنك كننده 201
5.30 مدل Droplet Source 203
5.31 مواد الاستيك و پلاستيك 203
5.32 غشاي الاستيك 204
5.33 ديوار الاستيك يا قابل ارتجاع 207
5.34 گريز گاز از سطح آزاد 210
5.35 مدل پروانه و پره 211
5.36 زمان پر شدن 212
5.37 زمان ماندگاري سيال 213
5.38 پنجره‌هاي نيرو 213
5.39 مدل اشياء متحرک 214
5.40 اشياء متحرك، برخورد 225
5.41 منابع گرمايي 226
5.42 ابزار History Probes 235
5.43 داده‌هاي هيدروليكي 236
5.44 مناطق حرارتي 236
5.45 جريان‌هاي دوفازي 237
5.46 شيرها 239
5.47 جاي‌گذاري حجمي از سيال 241
5.48 تنش برہشي باد 242
فصل 6 تنظيمات عددي 243
6.1 مقدمه 244
6.2 محاسبه فشارها 245
6.3 حل فشار براي جريان قابل تراكم 247
6.4 محاسبه دما 247
6.5 محاسبه تنش‌هاي ويسكوزيته 248
6.6 انتقال دانسيته 250
6.7 انتقال انرژي 250
6.8 الگوريتم F-Packing 251
6.9 تقريب‌هاي مرز سيال 252
6.10 انتقال مومنتم 254
6.11 انتقال ضمني 254
6.12 شرايط مرزی فشار 255
6.13 همگرايي تكرارهاي فشار 256
6.14 جريان ماندگار 256
فصل 7 ساخت هندسه مسئله و شبكه‌بندی 259
7.1 ساخت ژئومتري 260
7.2 روش‌هاي ساخت ژئومتري در Flow-3D 261
7.2.1 توليد ژئومتري با استفاده از مدل‌كننده جامدها 261
7.2.2 بازيابي كردن فايل‌هاي I-DEAS 262
7.2.3 ساخت فايل‌هاي STL 263
7.2.4 بازيابي فايل‌هاي ANSYS 263
7.2.5 بازيابي فايل‌هاي توپوگرافي 264
7.3 انجام عمليات بر روي ژئومتري (محدودکننده‌ها و انتقال‌دهنده‌ها) 264
7.4 محدوديتهاي ساخت ژئومتري 264
7.5 ساخت ژئومتری با استفاده از رابط گرافيکی کاربر 265
7.5.1 ساخت ژئومتری 265
7.6 محل نگه‌داري فايل‌هاي STL 270
7.6.1 انتقال يك مولفه يا زير مؤلفه 270
7.6.2 اصلاح ژئومتري در ساختار درختي 271
7.6.3 استفاده از ساختار درختي 272
7.6.4 زير شاخه‌هاي مختلف در شاخه Geometry 272
7.6.5 ايجاد و اصلاح بافل‌ها 272
7.6.6 پاك‌كردن ژئومتري 273
7.6.7 موانع با انسداد صفر 273
7.7 مش‌بندي 274
7.7.1 مش‌هاي يكنواخت 274
7.7.2 مش‌هاي غير يكنواخت 274
7.7.3 مش‌هاي چند بلوكه‌اي 274
7.7.4 مكانيسم ساخت مش 275
7.7.5 قواعد كلي براي مش‌بندي 282
7.7.6 كم‌كردن حافظه مورد استفاده 284
7.7.7 مروري دوباره بر عمليات FAVORIZE بر روي ژئومتري و مش 284
7.7.8 بازبيني فايل‌هاي ژئومتري 286
فصل 8 پيغام‌هاي خطا در حين شبيه‌سازي و حل آن 287
8.1 پيغام‌هاي تشخيصي 288
8.2 راهنما 288
8.3 پيغام‌هاي پيش پردازنده 288
8.3.1 پيغام: open area mismath at inter-block boundaries of all blocks 288
8.3.2 پيغام Open areas between blocks differ by more than 5% 289
8.3.3 پيغام No open area at boundary 289
8.3.4 پيغام Multiblock inconsistent with VLIN 289
8.4 پيغام‌هاي پردازشگر 290
8.4.1 پيغام: 290
8.4.2 پيغام: 290
8.4.3 پيغام: 290
8.4.4 پيغام: 291
8.4.5 پيغام: 292
8.4.6 پيغام: 292
8.4.7 پيغام: Time-step size < dtmin 292
فصل 9 شروع دوباره يك شبيه‌سازي (Restarts) 295
9.1 انجام دوباره شبيه‌سازي 296
9.2 گزينه‌هاي قابل تغيير در Restart 299
9.2.1 پيكربندي سيال 299
9.2.2 همپوشاني شبكه (Grid Overlay) 299
9.2.3 انتقال حرارت، انتقال كميت‌ها، توربولانس و ذرات 300
فصل 10 مثال هیدرولیکی- استهلاک انرژی در جریان از روی یک پله (Drop) 301
10.1 مشخصات مساله 303
10.1.1 مشخصات هندسه مساله 303
10.1.2 شرايط جريان 303
10.1.3 مشخصات شبيه‌سازی 303
10.2 ساخت پوشه برای شبيه‌سازی 303
10.2.1 ساخت شبيه‌سازی جديد 304
10.3 ساخت هندسه پله 304
10.3.1 ساخت هندسه پله 304
10.4 مشخص‌کردن دامنه محاسباتی (مش‌بندی) 306
10.4.1 اضافه کردن نقاط ثابت در مش بلوک 308
10.4.2 مشخصات جريان 310
10.5 تعيين شرايط مرزی 311
10.5.1 تعيين شرط مرزي فشار 312
10.5.2 تعيين شرط مرزي Outflow 312
10.5.3 انتخاب شرط مرزي ديوار (Wall) 313
10.5.4 شرط مرزی تقارن، Symmetry 313
10.6 تعيين مشخصات سيال 313
10.6.1 اضافه کردن مشخصات سيال 313
10.7 تعيين شرايط اوليه 314
10.8 انتخاب مدل‌های فيزيکی مناسب 315
10.8.1 فعال‌کردن مدل شتاب جاذبه 316
10.8.2 فعال‌کردن ويسکوزيته و توربولانس 317
10.9 انتخاب زمان اتمام شبيه‌سازی 318
10.10 تنظيم قسمت عددی شبيه‌سازی 318
10.11 ران کردن شبيه‌سازی با مش درشت 319
10.12 بررسی وابستگی مش برای تعيين نرخ جريان 320
10.12.1 تعيين نرخ حجمی جريان به صورت گرافيکی 320
10.12.2 تعيين نرخ حجمی جريان (دبی) به صورت عددی 322
10.13 استفاد از نتايج شبيه‌سازی با مش درشت جهت تعيين ضخامت جت 323
10.14 تغيير اندازه مش‌ها با توجه به ضخامت جت 324
10.15 انتخاب ماکزيمم طول اختلاط 325
10.16 اضافه کردن صفحات جريانی برای آناليز بهتر جريان 325
10.16.1 تعيين يک flux surface در لبه پله 326
10.17 انتخاب خروجی‌ها 329
10.17.1 تعيين خروجی‌های مورد نظر 329
10.18 ران کردن شبيه‌سازی با مش جديد 330
10.19 تحليل نتايج شبيه‌سازی 331
10.19.1 تعيين طول حوضچه، L 333
10.19.2 تعيين عمق پاياب y1 333
10.19.3 تعيين عمق حوضچه YP 335
10.19.4 تعيين عمق بحرانی و محل وقوع آن بر روی سازه پله 339
10.19.5 تعيين افت انرژی 342
10.20 مقايسه نتايج Flow-3D با معادلات تجربی 343
منابع و مراجع 345
