مدل‌سازی سیالات در کامسول
مدل‌سازی سیالات (Fluid Mechanics) در COMSOL یکی از مهم‌ترین و گسترده‌ترین حوزه‌های شبیه‌سازی فیزیکی است که امکان تحلیل جریان سیال، انتقال جرم، انتقال حرارت، و اندرکنش سیال با سازه (FSI) را فراهم می‌کند. این ماژول برای مهندسان مکانیک، شیمی، زیست‌پزشکی و انرژی ابزاری قدرتمند برای طراحی و تحلیل سیستم‌های جریان سیال در مقیاس‌های مختلف به شمار می‌رود.
کاربردهای رایج مدل‌سازی سیالات در COMSOL
-
تحلیل جریان در لوله‌ها، کانال‌ها، پمپ‌ها و شیرآلات
-
شبیه‌سازی جریان هوای اطراف خودرو، هواپیما یا ساختمان
-
بررسی توزیع دما و انتقال حرارت در سیستم‌های دارای جریان
-
شبیه‌سازی انتقال جرم و واکنش‌های شیمیایی در راکتورها
-
بررسی عملکرد میکروفلوئیدیک‌ها در مقیاس میکرو و نانو
-
تحلیل آیرودینامیکی، هیدرودینامیکی و خنک‌سازی حرارتی
مهم‌ترین فیزیک‌های قابل استفاده در مدل‌سازی سیالات
۱. Laminar Flow
برای جریان‌های با عدد رینولدز پایین (Re < 2000)، که در آن‌ها حرکت سیال منظم و پایدار است.
۲. Turbulent Flow
برای مدل‌سازی جریان‌های آشفته، که نیاز به استفاده از مدل‌های توربولانسی مانند k-ε، k-ω یا SST دارند.
۳. Multiphase Flow
جهت شبیه‌سازی سیستم‌هایی با بیش از یک فاز مانند گاز-مایع، مایع-جامد یا گاز-جامد، با روش‌هایی نظیر VOF، Level Set، یا Two-Phase Flow.
۴. Non-Newtonian Flow
برای تحلیل سیالاتی که رفتار آن‌ها از قانون نیوتن پیروی نمی‌کند، مانند خون، پلیمرها یا دوغاب‌ها.
۵. Compressible Flow
در مواردی که تغییرات فشار و چگالی در طول جریان زیاد است، مانند جریان‌های مافوق صوت یا گازهای داغ.
۶. Free and Porous Media Flow
برای جریان در محیط‌های متخلخل، مثل خاک، فیلترها یا بیوراکتورها، با امکان ترکیب با مدل دارسی یا بری‌منان.
مراحل مدل‌سازی جریان سیال در COMSOL
۱. تعریف هندسه
شامل ایجاد یا وارد کردن شکل هندسی ناحیه جریان (مثلاً لوله، مخزن، محفظه).
۲. اختصاص ماده (Material)
تعریف خواص سیال مانند چگالی، ویسکوزیته، ضریب هدایت حرارتی و ظرفیت گرمایی.
-
انتخاب فیزیک جریان مناسب
بسته به نوع جریان، فیزیک مناسب انتخاب می‌شود (جریان آرام، آشفته، چندفازی و غیره). -
اعمال شرایط مرزی
ورودی و خروجی جریان، دیواره‌ها، سرعت یا فشار مشخص، شار حرارتی یا دمای ثابت. -
ایجاد شبکه (Meshing)
شبکه‌بندی ناحیه حل برای افزایش دقت نتایج، به‌ویژه در نزدیکی مرزها یا مناطق حساس. -
تنظیم حل‌گر و اجرای شبیه‌سازی
تعریف پارامترهای حل‌گر عددی و حل سیستم معادلات حاکم (ناویر–استوکس و معادلات انرژی یا جرم). -
تحلیل و مشاهده نتایج
بررسی نمودارهای سرعت، فشار، دما، خطوط جریان، گردابه‌ها و گراف‌های مختلف از نتایج.
ماژول‌های مرتبط با سیالات در COMSOL
-
CFD Module: ماژول اصلی برای تحلیل دینامیک سیالات محض
-
Microfluidics Module: برای مدل‌سازی جریان در ابعاد میکرو و رفتارهای خاص مانند جریان الکترواکینتیک
-
Subsurface Flow Module: جریان در محیط‌های متخلخل مانند خاک
-
Heat Transfer Module: برای ترکیب جریان سیال با انتقال حرارت
-
Chemical Reaction Engineering Module: ترکیب جریان با واکنش‌های شیمیایی
-
Acoustics Module: برای تحلیل اندرکنش سیال و صوت
جمع‌بندی
مدل‌سازی جریان سیال در COMSOL ترکیبی از انعطاف‌پذیری بالا، دقت عددی و رابط کاربری بصری است. کاربران می‌توانند سیستم‌های پیچیده شامل جریان، حرارت، واکنش شیمیایی یا حتی اندرکنش با سازه را در یک محیط یکپارچه مدل‌سازی کنند. این قابلیت‌ها کامسول را به یکی از نرم‌افزارهای محبوب در حوزه دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) تبدیل کرده‌اند.
