شبکه بندی باسازمان چند بلوکی

Multi-Block Structured Grid (Mesh) Generation

شبکه بندی باسازمان چند بلوکی در دسته شبکه بندی باسازمان با استفاده از تجزیه هندسی قرار می‌گیرد. برتری شبکه‌های باسازمان بویژه در تعامد وجوه المان‌ها و همچنین پوشش لایه مرزی نسبت به شبکه‌های بی‌سازمان باعث افزایش نرخ همگرایی و البته افزایش دقت محاسبات مرتبط با لایه مرزی در آن‌ها می‌شود. از این رو، استفاده از این نوع شبکه‌ها همواره در اولویت اول CFD کاران و کاربران نرم افزارها قرار دارد.

در مقابل نقطه ضعف شبکه‌های باسازمان محدودیت تولید آن‌ها تنها برای اشکال مشخص می‌باشد. بنابراین چالش اصلی در شبکه‌بندی باسازمان در داخل یا داخل مدل‌هایی با هندسه‌های ظاهر می‌شود. به طوریکه دیگر استفاده از فرمول‌ها و الگوریتم‌های تولید شبکه دیگر کافی نیست و خلاقیت و نوآوری را طلب می‌کند. برای اینکه درک بهتری از این موضوع داشته باشید همین بس که بدانید شبکه‌بندی باسازمان فراتر از تخصص و فن به یک هنر تبدیل شده است.

شبکه بندی باسازمان در مدل‌های هندسی بسیار پیچیده بسیار بسیار مشکل است! معمول‌ترین راهکار شکستن و تجزیه هندسه پیچیده به بلوک‌ها(بخش‌ها)ی مناسب (به لغت مناسب توجه داشته باشید) برای شبکه‌بنده به روش‌ نگاشتی (Mapped) می‌باشد. این روش به شبکه بندی باسازمان چند بلوکی (Multi-block Structured Meshing) معروف است. در شکل‌های زیر نمونه‌هایی از بلوک بندی و شبکه‌های چندبلوکی (Multiblock Meshes) نشان داده شده است.

شکل-1: شبکه بندی باسازمان چند بلوکی حول ایرفویل با مرزهای خارجی مختلف.

شکل-2: شبکه بندی باسازمان چند بلوکی حول یک هواپیمای سبک.

شکل-3: شبکه بندی باسازمان چند بلوکی حول یک خودرو خورشیدی.

باتوجه به این موضوع چالش شبکه‌بندی باسازمان در هندسه‌های پیچیده به بلوک بندی آن‌ها خلاصه می‌شود. در شکل‌های 2 و 3 برای شبکه بندی باسازمان چند بلوکی از ده‌ها بلوک با هندسه‌های متنوع استفاده شد که اهمیت و حیاتی بودن کیفیت بلوک بندی را نشان می‌دهد. قابل توجه است که در مدل‌های شکل‌های 2 و 3، بلوک بندی تماما بصورت دستی و تقسیم مدل هندسی به بخش‌های مختلف و در نرم افزار Gambit انجام شده است. نکته مهم اینکه شبکه‌بندی باسازمان چند بلوکی یک مدل ممکن است تا بیش از 70% زمان شما را در حل یک مسئله به خود اختصاص دهد. پس در تولید این نوع شبکه‌ها باید صبور و متمرکز باشید.

در این پست از بیان تئوری و روابط ریاضی مرتبط با شبکه‌بندی چند بلوکی صرف نظر کردم چراکه اولا در حال حاضر شما تقریبا هیچگاه با تئوری بکار رفته برای مش بندی چند بلوکی سرو کاری ندارید و تمامی شبکه‌های چند بلوکی را با استفاده از نرم افزارها تولید می‌کنید. ثانیا تئوری‌ها و روابط مرتبط با این بحث بسیار پیچیده، کسل کننده و خارج از حوصله است. ثالثا این تئوری‌ها و روابط بطور جامع و کامل در دسترس نیستند. به هر حال با تجربه من شما کاری با این تئوری‌ها ندارید مگر اینکه بطور حرفه‌ای مشغول توسعه نرم افزارهای تولید شبکه تجاری هستید که در این صورت تجربه شما از من در این زمینه بسیار بیشتر است!

به جرأت می‌توانم بگویم که هیچ نرم افزار تولید شبکه‌ای از فناوری بلوک بندی خودکار با کیفیت دامنه‌های محاسباتی برخوردار نیست. تلاش‌های بسیاری برای توسعه الگوریتم‌های هوشمند بلوک بندی خودکار انجام شده که هنوز به بلوغ لازم نرسیده‌اند. در حال حاضر توسعه فناوری چند بلوکی کردن دامنه محاسباتی به یکی از تاپیک‌های تولید شبکه به شمار می‌رود.

شبکه بندی باسازمان چند بلوکی در نرم افزار Gambit

فکر میکنم شناخته شده‌ترین نرم افزارهای تولید شبکه در داخل کشور، نرم افزارهای Gambit، Ansys Mesh و Ansys ICEM-CFD باشند. اگر چه از الگوریتمها و روش‌های تولید شبکه‌ی نرم افزار Gambit که از سال 2006 به بعد توسعه پیدا نکرده اما به نوعی در نرم افزار Ansys Mesh استفاده شده است. با این حال برای شبکه بندی باسازمان چند بلوکی در این نرم افزار لازمست مدل را بصورت هندسی به بخش‌های مختلف و مناسب برای تولید شبکه نگاشته شده (Mapped) تقسیم کنید. به عبارت دیگر هر بلوک باید بصورت مستقیم مدلسازی هندسی بشوند. انواع شبکه‌های باسازمان چند بلوکی در نرم افزار Gambit تولید شده در شکل‌های (1) تا (3) نشان داده شده است.

شبکه بندی باسازمان چند بلوکی در نرم افزار Ansys Mesh

نرم افزار Ansys Mesh به خودی خود قابلیت ایجاد شبکه چند بلوکی را ندارد. برای اینکار لازمست مدل را در یکی از نرم افزارهای DesignModeler یا SpaceClaim بصورت هندسی بلوک بندی کنیم. البته پیشنهاد من به شما اینست که برای تولید شبکه باسازمان چند بلوکی حتما از نرم افزار ICEM-CFD استفاده کنید. به هر حل برای مسائل ساده دو بعدی می‌توایند از این نرم افزار برای شبکه بندی باسازمان چند بلوکی استفاده نمایید. به هر حال دو نمونه شبکه چند بلوکی تولید شده حول ایرفویل در شکل‌های (4) نشان داده شده است. قابل توجه است که در این شکل‌ها رنگ بلوک‌ها متفاوت است.

شکل-4: تولید شبکه‌های باسازمان چند بلوکی حول ایرفویل در نرم افزارهای Ansys Mesh

شبکه بندی باسازمان چند بلوکی در نرم افزار ICEM-CFD

به نظر من تنها نرم افزار ICEM-CFD قابلیت بلوک بندی نیمه خودکار را دارد. در این نرم افزار بصورت تخصصی بلوک‌ها انتخا، اضافه، کم و تصحیح می‌شوند با این حال این قابلیت به این معنی نیست که در این نرم افزار تولید شبکه چند بلوکی برای هندسه های پیچیده ساده باشد. در شکل‌های (5) انواع شبکه‌های باسازمان چند بلوکی تولید شده حول ایروفویل و بال در نرم افزار ICEM-CFD نشان داده شده است.

شکل- 5: تولید شبکه‌های باسازمان چند بلوکی حول ایرفویل در نرم افزارهای Ansys ICEM-CFD

نکته:

توجه داشته باشید که شبکه چند بلوکی می‌تواند تنها شامل شبکه‌های باسازمان، بی سازمان و یا ترکیبی از هر دو باشد (شکل-6). در اینجا تنها به نقش بلوک بندی در شبکه بندی باسازمان پرداخته شده است.