تولید شبکه در نرم افزار Openfoam

روش های مختلف تولید شبکه در نرم‌ افزار OpenFoam

در این مقاله آموزشی به یکی دیگر از کاربرد های نرم افزار مهندسی OpenFoam می پردازیم. نرم افزار OpenFoam یکی از پرکاربردترین و مهم ترین نرم افزارهای مهندسی در مقطع کارشناسی ارشد می باشد که بسیاری از دانشجویان با استفاده از نرم افزار OpenFoam به ارایه مقاله های علمی و پژوهشی, پایان نامه کارشناسی ارشد و پروژه های صنعتی می پردازند. در ادامه به روش های مختلف تولید شبکه در نرم افزار OpenFoam می پردازیم.

نقطه شروع برای حل یک مسأله جریان (شامل سرعت، فشار،‌ دما و ...)، تولید هندسه آن می‌باشد. چنانچه هندسه مسأله پیچیده باشد می‌توان از نرم‌افزارهای خاص طراحی مانند Catia و SolidWorks استفاده نمود. در این نرم‌افزارها از رویکرد بالا به پایین (Top-down) استفاده می‌شود. در این رویکرد دامنه محاسباتی با انجام عملیاتی بر روی اشکال ابتدایی مانند سیلندر، کره‌ و ... تولید می‌شود. در صورت غیر پیچیده بودن هندسه می‌توان از نرم‌افزار Gambit، ابزار‌ blockMesh (زیر مجموعه نرم‌افزار ( OpenFOAM و ... بهره گرفت. در این حالت از رویکرد پایین به بالا (bottom-up) استفاده می‌شود. در این رویکرد، در ابتدا نقاط به وجود می‌آیند؛ از به هم پیوستن نقاط با یکدیگر خطوط، از ارتباط خطوط با هم صفحات و در نهایت از ترکیب صفحات، احجام پدید می‌آیند.

پس از ایجاد هندسه، نوبت به شبکه‌بندی دامنه محاسباتی می‌رسد. منظور از شبکه‌بندی، گسسته‌سازی دامنه هندسی (محاسباتی) (Domain discretization)، به اشکال ساده و کوچکتر (المان یا همان سلول محاسباتی) می‌باشد. در فرآیند گسسته‌سازی از مثلث‌ها و چهارضلعی‌ها در دامنه دو بعدی و از اشکال چهار وجهی (منشور و هرم) و شش وجهی‌ها (مکعب) و چند وجهی‌ها در دامنه سه بعدی استفاده می‌گردد. به بیان دیگر در فرآیند تولید شبکه، یک دامنه پیوسته که بی‌نهایت نقطه (گره محاسباتی[1]) را شامل می‌شود به یک دامنه گسسته با تعداد محدوی نقطه تبدیل می‌گردد.

دقت مربوط به یک حل عددی از استراتژی شبکه‌بندی آن پیروی می‌کند. به طور کلی در روش‌ّهای محاسبات عددی، با کاهش اندازه گام یا کاهش ابعاد سلول محاسباتی، دقت نتایج افزایش می‌یابد. اما باید دقت نمود که در هندسه‌های پیچیده،  شبکه‌های مطلوب، اغلب غیر یکنواخت (Unstructured grid) می‌باشند؛ یعنی در موقعیت‌هایی که تغییرات خواص یا متغیرها از گره‌ای به گره دیگر زیاد است، شبکه ریزتر (Finer grid) و در نواحی با تغییرات نسبتاً کم شبکه درشت‌تر (Coarser grid) می‌باشد. معمولاً‌ بیش از ۵۰ درصد هزینه پروژه‌های دینامیک سیالات محاسباتی [2]CFD، به فاز تولید دامنه محاسباتی و مش‌بندی آن اختصاص می‌یابد؛ چرا که دامنه‌ محاسباتی و مش بهینه روند همگرایی مسأله را تسریع نموده، نتایج فیزیکی قابل قبول حاصل می‌نماید. در شکل زیر که مربوط به یک مکعب ساده است، سلول محاسباتی، گره محاسباتی، صفحه و ... نشان داده شده است.

شبکه محاسباتی را می‌توان به دو دسته شبکه سازمان یافته[3] (ساختار یافته) و شبکه بی‌سازمان[4] (بدون ساختار) طبقه‌بندی نمود. در شبکه سازمان یافته همان‌طور که از نام آن بر می‌آید، المان‌ها با نظم خاصی در کنار یکدیگر چیده می‌شوند. این در حالی است که در یک شبکه بی‌سازمان، سلول‌های محاسباتی از ترتیب خاصی نسبت به یکدیگر برخوردار نیستند و از منطق خاصی پیروی نمی‌کنند. یک مش با سازمان، در تعداد برابر المان‌ها، به حافظه به نسبت کمتری نسبت به یک مش بی‌سازمان نیاز دارد (در حدود یک سوم). همچنین، با استفاده از مش با سازمان در زمان مربوط به مدلسازی صرفه‌جویی می‌شود چرا که نرم‌افزار راحت‌تر می‌تواند به داده‌ها دسترسی داشته باشد. اما، بهره‌گیری از یک شبکه ساختار یافته در هندسه‌های پیچیده،‌ امری دشوار و گاه غیر ممکن است. این مسأله می‌تواند بر روی سطوح انحناءدار و لبه‌های یک جسم نیز بروز نماید. در این موارد به ناچار بایستی از مش بی‌سازمان استفاده کنیم. نکته دیگری که باید به آن توجه کنیم این است که برای یک مسأله مشابه، شبکه سازمان یافته، به تعداد بیشتری المان نسبت به شبکه بی‌سازمان نیاز دارد. نقطه قوت شبکه بی‌سازمان، انعطاف‌پذیری در شبکه‌بندی هندسه‌های پیچیده می‌باشد. لازم به ذکر است که به منظور افزایش کیفیت شبکه بی‌سازمان، می‌توان از روش مثلث‌بندی دلانی استفاده کرده و از آن طریق از تولید المان‌های مثلثی با زاویه تند اجتناب نمود.

با استفاده از رویکرد ترکیبی (Hybrid) می‌توان از نقاط قوت هر دو روش شبکه‌بندی استفاده نمود. در یک شبکه‌بندی هیبرید، در بخش‌هایی از دامنه محاسباتی، شبکه با سازمان و در بخش‌هایی دیگر شبکه بی سازمان تولید می‌شود. یکی از مهمترین کاربردهای مش ترکیبی، در شبکه‌بندی لایه مرزی نزدیک دیواره‌ها می‌باشد.

همان‌طور که از اشکال بالا بر می‌آید، در شبکه‌های ساختار یافته سلول‌های محاسباتی از نوع چهار ضلعی (در فضای دو بعدی) و شش وجهی و مکعبی ( در فضای سه بعدی) می‌باشند؛ در حالی که در شبکه‌های بدون ساختار، المان‌ها به صورت سه ضلعی و مثلثی (در فضای دو بعدی) و چهار وجهی و منشوری ( در فضای سه بعدی) هستند.

امروزه نرم‌افزارهای متنوعی موجود هستند که می‌توانند عملیات تولید شبکه را با دقت و سرعت بالایی انجام دهند. یکی از قدیمی‌ترین و در عین حال محبوب‌ترین این نرم‌افزار‌ها، Gambit است که قادر به تولید هندسه و سپس تولید شبکه محاسباتی می‌باشد. فایل مش خروجی این نرم‌افزار با پسوند .msh بوده و قابلیت فراخوانی توسط نرم‌افزاری مانند نرم افزار  فلوئنت (Fluent) را دارد.

نرم‌افزار ANSYS Meshing که متعلق به شرکت Ansys می‌باشد یکی دیگر از نرم‌افزارهایی است که به خوبی می‌تواند نیازهای کاربر را در زمینه تولید مش برطرف نماید. 

نرم‌افزار ICEM CFD یکی دیگر از نرم‌افزارهای تولید شبکه متعلق به شرکت انسیس می‌باشد که دارای قابلیت منحصر به فردی برای ایجاد شبکه‌های ساختار یافته با بلوک‌های شش وجهی و همچنین بهره‌گیری از الگوریتم O-Grid برای بهبود کیفیت شبکه‌بندی می‌باشد.

در محیط لینوکس و در نرم‌افزار اپن فوم  (OpenFOAM) نیز کاربران می‌توانند با استفاده از دو ابزار قدرتمند blockMesh و SnappyHexMesh به تولید شبکه‌های محاسباتی با سازمان و بی‌سازمان بپردازند.

در کنار ‌نرم‌افزارهای تولید شبکه که در اینجا تنها به چند مورد محدود از آنها اشاره کردیم، کاربران می‌توانند با برنامه‌نویسی و نوشتن کد، تولید شبکه محاسباتی را انجام داده و به تصحیح آنها بپردازند. به عنوان نمونه، نرم‌افزار برنامه‌نویسی فرترن (Fortran) قابلیت مناسبی را جهت پیاده‌سازی کدهای تولید شبکه دارا می‌باشد.

برای مطالعه مقاله های آموزشی دیگر مرتبط با نرم افزار OpenFoam بر روی عنوان های زیر کلیک نمایید :

قابللیت های نرم افزار OpenFoam

قابلیت نرم افزار ANSYS و نصب نرم افزار ANSYS

قابلیت های نرم افزار Fortran

قابلیت های نرم افزار MATLAB و نصب نرم افزار MATLAB

امیدواریم با مطالعه مقاله آموزشی بالا بتوانید از آن ها در ارایه مقالات علمی و پژوهشی, پایان نامه های کارشناسی ارشد و پروژه های صنعتی استفاده نمایید.