ผลของการทำ Refinement อิลิเมนต์ต่อรูปแบบการไหลผ่านตัว Airfoil

ในการวิเคราะห์พลศาสตร์ของไหลนั้น การสร้างอิลิเมนต์นั้นมีความสำคัญอย่างมาก ผู้ใช้งานส่วนใหญ่นั้นจะใช้เวลากับการสร้างอิลิเมนต์ให้ดีและมีคุณภาพทั้งในด้านความแม่นยำของผลลัพธ์และเวลาที่ใช้ในการคำนวน ซึ่งไม่มีกฏตายตัวขึ้นอยู่กับลักษณะของปัญหานั้น ๆ

การคำนวนทางด้านของไหลนั้นโดยทั่วไปจะใช้หลักการ finite volume นั่นคือ พื้นที่การไหลจะถูกแบ่งออกเป็นอิลิเมนต์สี่เหลี่ยมย่อยๆโดยใน SOLIDWORKS simulation นั้นจะใช้การวางอิลิเมนต์ที่เรียกว่า cut cell mesh ซึ่งอธิบายง่าย ๆ คือ การวางตารางลงไปบนวัตถุ และทำการลบช่องที่ซ้อนทับวัตถุนั้นออกก็จะเกิดขอบเขตของพื้นที่การไหลที่เป็นไปตามรูปทรงของวัตถุนั้นขึ้น การให้ช่องตารางที่ใหญ่เกินไปก็จะไม่สามารถที่จะเก็บรูปร่างที่แท้จริงของวัตถุนั้นได้ แต่การไหลของอากาศผ่านวัตถุใดๆนั้น ถ้าเราดูเส้นการไหลแล้วจะพบว่าเส้นการไหลที่ใกล้ ๆ วัตถุนั้นจะแสดงถึงรูปร่างของวัตถุนั้น ดังนั้นถ้าเราสร้างช่องตารางหรืออิลิเมนต์ที่ใหญ่เกินไปก็จะทำให้เราไม่สามารถที่จะแสดงรูปร่างที่แท้จริงของวัตถุในพื้นที่การไหลได้ ซึ่งทำให้ผลการคำนวนที่ออกมานั้นไม่แม่นยำ

สำหรับในบทความนี้เราจะมาลองทำการสร้างอิลิเมนต์ รอบๆ airfoil กัน แต่ก่อนอื่นเรามาทำความรู้จักกับ airfoil กันก่อน ผมเชื่อว่าทุกท่านได้เคยนั่งเครื่องบินกันมาแล้ว และผมก็เป็นคนหนึ่งที่กลัวการนั่งเครื่องบิน ผมจึงเลยศึกษามันพบว่า เมื่อเราตัดปีกเครื่องบินออกมา รูปร่างหน้าตัดที่ได้นั้นจะมีรูปร่างเป็นแบบนี้ ซึ่งเราเรียกว่า airfoil การไหลของอากาศผ่านตัว airfoil นี้ทำให้เกิดแรงยกตัวเครื่องบินให้ลอยขึ้นได้

การวิเคราะห์เริ่มต้นนั้นเราทำการลองใช้ defualt global mesh ในการสร้างอิลิเมนต์ในเบื้องต้น ที่ระดับความละเอียด 5-7 พบว่าอิลิเมนต์ที่ได้นั้นยังไม่ละเอียดพอที่จะเป็นไปตามรูปทรงของวัตถุในบริเวณที่ติดผิวของชิ้นงานนั้นตัวอีลิเมนต์จะไม่เป็นสี่เหลี่ยมสมบูรณ์ ที่นี้เราลองมาดูผลลัพธ์ของการคำนวนแรงยก แรงต้านที่ได้กัน ผลลัพธ์ของแรงนั้นจะเห็นว่าไม่มีความเสถียรและค่าแกว่งไปมา

เนื่องจากอิลิเมนต์รอบ airfoil นั้นยังไม่ละเอียดพอที่จะเป็นไปตามรูปทรงของ airfoil ได้ผมจึงทำการ refinement ตัวอิลิเมนต์รอบรูปทรงของ airfoil กันก่อน การ refinement นั้นจะมีระดับอยู่ การเปลี่ยนแปลงใน 1 ระดับนั้นคือการแบ่งอิลิเมนต์เดิมออกเป็น 4 ส่วน การทำ refinement ระดับ 2 นั้นคือการแบ่ง อิลิเมนต์เดิมออกเป็น 16 อิลิเมนต์ ดังแสดง

ในที่นี้ผมขอลองที่ refinement ระดับ 3 ที่อิลิเมนตืที่อยู่ติดผิวของ airfoil ครับ เพื่อให้อิลิเมนต์นั้นแนบไปตามรูปทรงของ airfoil และดูผลลัพธ์ของการทำ mesh และผลลัพธ์การคำนวน รงยกกันครับ จะเห็นได้ว่าอลิลเมนต์ที่ติดผิวของ airfoil นั้นมีขนาดเล็กลงและสามารถล้อตามรูปร่างของ Airfoil ไปได้ และผลลัพธืที่ได้นั้นที่บริเวณผิวของ airfoil จะเห็นแถบสีน้ำเงินม่วงเป้นเส้นไปตามรูปทรงทั้งที่ในกรณีแรงนั้นไม่มีให้เห็น การทำอิลิเมนตืที่บริเวณใกล้ผิวให้เล็กลงนั้นจะช่วยแสดงพฤติกรรมของการไหลที่เรียกว่า boundary layer ขึ้นมาได้

ที่นี้ จากการคำนวนที่ผ่านมาพบว่าการกระจายตัวของความเร็ว ความดันใกล้ ๆ airfoil นั้น มีรูปร่างใกล้เคียงกับ Airfoil กล่าวคือมีรูปร่างที่ใหญ่กว่าเหมือนการ offset ออกมา ผมอยากจะทำให้อลิลเมนต์บริเวรนี้ละเอียดขึ้น ผมจึงใช้วิธี equidistant คือการ offset รูปร่างของ airfoil ออกไปที่ระยะหนึ่งๆและทำการ refinement ตัวอิลิเมนต์ที่อยู่ในพื้นที่ offset นั้น ผลลัพธืที่ได้จะเห็นว่าเราสามารถที่จะเก็บพฤติกรรมการไหลแบบ turbulent หลังตัว airfoil ได้ซึ่งก่อนหน้านี้ทั้งสองกรณีนั้นไม่พบเจอพฤติกรรมนี้

เนื่องจาก Boundary layer นั้นเป็นชั้นการไหลที่มีขนาดเล็กมากดังนั้นผมจึงลองเพิ่มการทำ Refinement ที่บริเสณใกล้ๆผิวให้เล็กลงไปอีก โดยยังคงใช้ equidistant คือการ offset รูปร่างของ airfoil ออกไปที่ระยะหนึ่งๆ แต่เพิ่ม Number of shell เป็น 3 ผลลัพธ์ที่ได้คือที่บริเวณใกล้ ๆ ผิวนั้นจะละเอียดมากขึ้นส่วนระยะที่ offset ออกไปนั้นจะมีขนาดอิลิเมนต์เท่าเดิม

สุดท้ายจะเห็นว่าผมได้ทำการ Refinement เฉพาะบริเวณรอบๆ ตัว airfoil เท่านั้นแต่บริเวณที่อยู่ด้านท้าย airfoil ไปนั้นก็มีการไหลของอากาศอยู่ ที่นี้เราลองทำการ refinement อิลิเมนต์บริเวณนี้ดูโดยใช้ Local mesh แบบ Cuboid region และผลลัพธ์ที่ได้นั้นจะเห็นว่าเราสามารถที่จะพบพฤติกรรม karman vortex ขึ้นมาได้

จะเห็นว่าทุกๆครั้งที่ผมทำการ Refinement ตัวอิลิเมนต์ในแต่ละเคสนั้น ผลการคำนวนที่ได้จะแตกต่างกันออกไป การพบพฤติกรรม Boundary layer การพบพฤติกรรม Karman หรือการไม่พบพฤติกรรมการไหลใด อย่างที่ได้กล่าวไว้การทำอิลิเมนต์นั้นไม่มีกฎเกณฑ์ที่แน่นอน แล้วเราจะรู้ได้อย่างไรว่าแบบไหนถึงจะถูกต้อง คำตอบคือ “การทดลอง” ครับ การทำอิลิเมนต์ที่ถูกต้องนั้นคือการทำอิลิเมนต์ที่ให้ผลลัพธ์ของการคำนวนเป็นไปตามผลการทดลองและท่านสามารถที่จะยึดรูปแบบการทำอิลิเมนต์นั้นไว้ใช้ในปัญหานั้น ๆ ได้จนกว่ามันจะไม่เป็นไปตามการทดลอง ซึ่งเป็นสิ่งที่ควรพึงระวังในการใช้ Simulation Tool หากท่านมีข้อสงสัยในการใช้งาน SOLIDWORKS Simulation นั้นทางเรามีเจ้าหน้าที่ให้คำปรึกษาได้ครับ

แอดโจ๊ก

สนใจ SOLIDWORKS ติดต่อเราได้ที่

โทร 02-089-4145 (จ-ศ 8.30 – 17.00 น.)

LINE@ : @metrosolidworks คลิก https://bit.ly/2yrNF24

เว็บไซต์ https://metrosystems-des.com/solidworks/contact-us/

YouTube https://www.youtube.com/user/MetroSolidWorks

Facebook Fanpage https://www.facebook.com/metrosolidworks/

Inbox มาเลยก็ได้น้า

รัก SOLIDWORKS สุด ๆ คลิกเลย https://www.facebook.com/groups/2076765539017446/