Free Surface Flow กับ SOLIDWORKS Simulation

ในหัวข้อนี้เราจะมาทำความรู้จักพื้นฐานของการวิเคราะห์การไหลแบบ Free Surface Flow และความสามารถที่จะประยุกต์ใช้กับอะไรได้บ้าง ในชีวิตประจำวันของเรานั้นทุกคนจะอาบน้ำอยู่ประจำเสมอ การติดตั้งฝักบัวที่ตำแหน่งที่ดีจะทำให้น้ำโดนตัวเราได้ดีขึ้น ไม่ต้องใช้มือหยิบฝักบัวเพื่อที่จะมาล้างตัวตามตำแหน่งที่เข้าไม่ถึง หรือในงานประเภทระบบดับเพลิงอัติโนมัติ ซึ่งตำแหน่งติดตั้งของสปริงเกอร์กระจายน้ำนั้นถ้ามีการติดตั้งในตำแหน่งที่ดีแล้วมีการกระจายน้ำที่ทั่วถึงทุกบริเวณก็จะทำให้ดับไฟได้อย่างรวดเร็ว หรือลักษณะงานการเปิดน้ำใส่ถัง การแล่นเรือบนผิวน้ำนั้น ซึ่งลักษณะของปัญหาที่กล่าวมานั้นจะเห็นได้ว่าทุกๆปัญหานั้นจะมีของไหลอย่างหนึ่งไหลผ่านตัวกลางที่เป็นของไหลอีกอย่างหนึ่งโดยที่ของไหลเหล่านั้นมีการกระทำต่อวัตถุที่ขวางทางของไหลอยู่ ซึ่งในที่นี้คือการไหลของน้ำผ่านตัวกลางที่เป็นอากาศและไปกระทบต่อวัตถุ ซึ่งเราเรียกลักษณะปัญหานี้ว่า Free Surface Flow

ในการคำนวนของไหลแบบ Free surface นั้นเราจะใช้เทคนิคที่เรียกว่า VOF หรือ Volume of Fluid ซึ่งจะใช้หลักการที่ว่า ของไหลที่อยู่ในขอบเขตของการคำนวนนั้นจะไม่มีการผสมกัน โดยในแต่ละอิลิเมนต์นั้นผลรวมของสัดส่วนของไหลทั้งหมดจะต้องเท่ากับหนึ่ง ถ้าอิลิเมนต์ไหลมีผลรวมเท่ากับศูนย์แปลว่าไม่มีของไหลอยู่ในอิลิเมนต์นั้น และถ้าผลรวมมีค่าอยู่ระหว่างศูนย์ถึงหนึ่งแล้วอิลิเมนต์นั้นจะอยู่บริเวณรอยต่อระหว่างผิวของของไหลเช่น รอยต่อระหว่างผิวน้ำกับอากาศ จากนั้นก็จะใช้สมการโมเมนตัมของสมการนาเวียร์สโตรกในการคำนวนหาความเร็วของของไหลที่อยู่ในขอบเขตของการคำนวนนี้

ในการทำการจำลอง Free Surface Flow นั้นเราจะต้องกำหนดตำแหน่งเริ่มต้นของของไหล เช่นมีน้ำอยู่ในเขื่อน มีอากาศอยู่เหนือเขื่อน เป็นต้น จากนั้นการใส่ค่า Gravity ของโลกเราก็จะทำให้ของไหลนั้นไหลโค้งลงตามแรง Gravity และการทำ Free Surface Flow โดยทั่วไปแล้วจะมีการคำนวนเป็นแบบขึ้นกับเวลา (Time Dependent) หมายถึงของไหลจะมีการเปลี่ยนแปลงทางคุณสมบัติ เช่น ความร้อน ความดัน ความเร็ว ความหนาแน่นเป็นไปตามเวลาที่ผ่านไป ดังนั้นในการกำหนดการวิเคราะห์จำเป็นต้องกำหนดให้เป็นไปตามเงื่อนไข

และเราสามารถที่กำหนด solid body ใดๆให้สามารถเป็นของไหลได้โดยการกำหนดใน Initial condition การเปลี่ยน Solid body ให้เป็นก้อนของไหลนี้ทำให้ง่ายต่อการวางตำแหน่งของไหลเริ่มต้น หลังจากเริ่มคำนวนของไหลก็จะไหลไปตามทิศทางของแรงโน้มถ่วงเองดดยอัติโนมัติ โดยการกำหนด Initial Condition นี้สามารถกำหนดได้ที่ Tools>Flow Simulation>Insert>Initial Condition

ตัวอย่างนี้เป็นการจำลองการเทน้ำลงบนรูปปั้นเพื่อดูการกระจายตัวของน้ำบนรูปปั้นเพื่อที่จะนำไปทำงานอื่นที่คล้ายกันเช่น เทปูนพลาสเตอร์ลงบนตัวแม่พิมพ์โดยใช้เครื่องจักรเป็นต้น

ตัวอย่างที่มักจะเจอในการทำวิเคราะห์ Free Surface Flow คือปัญหาประเภท Dam Breaking หรือเขื่อนแตกแล้วน้ำไหลออกมาชนสิ่งกีดขวางหรือตึกรามบ้านช่อง ในการจำลองนี้จะเห็นถึงปริมาณน้ำในเขื่อนจะไหลออกมาจากช่องแล้วชนสิ่งกีดขวาง โดยที่น้ำที่อยู่ในเขื่อนนั้นจะลดลงเรื่อยตามปริมาณของน้ำที่ไหลออก

อีกหนึ่งตัวอย่างเป็นการปล่อยน้ำออกจากถังผ่านท่อมาลงในภาชนะที่รองรับไว้ ด้วย ณเวลาเริ่มต้นนั้น จะมีน้ำอยู่เต็มถัง (สีแดงแทนด้วยน้ำ) และเมื่อเวลาผ่านไปนั้น ด้วยแรง Gravity ของโลกน้ำจะค่อยๆไหลลงมาตามท่อและลงสู่ภาชนะที่รองรับไว้จนเต็ม

รถทางทหารเป็นรถที่สามารถลอยและเคลื่อนที่ในน้ำได้ การใช้ Free Surface Flow เข้ามาช่วยในการทำนายพฤติกรรมของรถขณะที่ลอยน้ำนั้นก็เป็นอีกหนึ่งตัวอย่างของการประยุกต์ใช้งาน

จะเห็นได้ว่าการวิเคราะห์ Free Surface Flow นั้นสามารถประยุกต์ใช้ได้ในงานที่หลากหลาย ตั้งแต่งานศิลปะ งานท่อทางในโรงงานอุตสาหกรรดม ไปจนถึงงานทางอุตสาหกรรมป้องกันประเทศ ซึ่งการเข้าใจในพื้นฐานของการทำ Free Surface Flow นั้นจำเป็นต่อการนำไปทำงานวิเคราะห์ปัญหาระดับสูงต่อไป

บทความโดย แอดโจ๊ก