توضیحات

پروژه شبیه سازی جریان هوا آشفته و تراکم پذیر در دیفیوزر گذر صوتی همگرا-واگرا در نرم افزار استار سی سی ام (Star-CCM+)

Simulation of Turbulent Flow Through Converging-Diverging Transonic Diffuser in Star-CCM+ Software

دیفیوزر(Diffuser):

دیفیوزر جزئی‌ از سیستم‌های‌ سیالاتی‌ است‌ که‌ به عنوان کانالی‌ با بازشدگی‌ در مسیر جریان حضور دارد و به‌ منظور کاهش‌ سرعت‌ و در پی‌ آن افزایش‌ فشار طراحی‌ می‌شود. در همه‌ی‌ توربوماشین‌ها و اکثر سیستم‌های‌ سیالاتی‌ از دیفیوزر استفاده می‌شود، مثل‌ تونل‌ باد، داکت‌ بین‌ کمپرسور و مشعل‌ موتور توربین‌ گاز، داکت‌ خروجی‌ از توربین‌ گاز که‌ به‌ لوله‌های‌ جت‌ اتصال دارد، داکت‌ قرار داده شده پس‌ از پره های‌ کمپرسور گریز از مرکز و غیره. مشکل اصلی در کار با یک دیفیوزر مسئله جدایش جریان(separation) و تلفات ناشی از آن است. باتوجه‌ به‌ اینکه‌ کار دیفیوزر افزایش‌ فشار جریان در طول مجرا می‌باشد ولی‌ همین‌ افزایش‌ فشار در طول دیفیوزر یک‌ گرادیان نامطلوب و مخالف‌ برای‌ جریان محسوب می‌شـود کـه‌ باعث‌ جداشـدن آن از روی‌ دیواره و درنهایت‌ کاهش‌ عملکرد و کارآیی‌ دیفیوزر به‌ مقدار زیاد می‌شود.

دینامیک سیالات محاسباتی:

دینامیک سیالات محاسباتی یکی‌ از زیر شاخه‌ هاي مهم‌ و بنیادي از علوم‌ مهندسی‌، مکانیک‌ سیالات‌ می‌باشد که‌ به‌ تحلیل‌ و بررسی‌ سیال‌ و جریان‌ سیال‌ می‌پردازد. به عنوان‌ مثال‌ می‌توان‌ به‌ بررسی‌ جریان‌ هواي یک‌ سیستم‌ تهویه‌ مطبوع‌ در یک‌ اتاق‌، تحلیل‌ و بررسی‌ توزیع‌ دماي بدنه‌ فضاپیماها در جریان‌ ماوراء صوت‌، بهینه‌ سازي شکل‌ مقاطع‌ آیرودینامیکی‌ براي رسیدن‌ به‌ هدف‌ مشخص‌ و امثالی‌ از این‌ قبیل‌ اشاره‌ کرد. روش‌هاي بررسی‌ و تحلیل‌ جریان‌ را می‌توان‌ در سه‌ دسته‌ روش‌هاي تجربی‌، روش‌هاي تحلیلی‌ و روش‌هاي عددي تقسیم‌ بندي کرد. البته‌ روش‌هاي نیمه‌ تجربی‌ یا مهندسی‌ نیز با تلفیق‌ روش‌هاي تجربی‌ و تحلیلی‌ مورد استفاده‌ قرار گرفته‌اند. بالا رفتن‌ سطح‌ پیچیدگی‌ تحلیل‌ و طراحی‌ها باعث‌ شده‌ تا استفاده‌ از روش‌ تجربی‌ در اکثر موارد غیر ممکن‌ و در صورت‌ امکان‌ هم‌ هزینه‌هاي هنگفتی‌ را بطلبد. انتخاب‌ یکی‌ از دو روش‌ دیگر بستگی‌ به‌ دقت‌ مورد نیاز براي پارامترهاي جریان‌ از جمله‌ ضرائب‌ آیرودینامیکی‌، توزیع‌ فشار و توزیع‌ سرعت‌ دارد. با توجه‌ به‌ اینکه‌ در ارتقاء طراحی‌ها به‌ دقت‌هاي بالایی‌ نیاز می‌باشد و روش‌هاي مهندسی‌ هم‌ نمی‌توانند تحلیل‌ دقیق‌ و قابل‌ قبولی‌ از مسئله‌ داشته‌ باشند، بنابراین‌ با مدل‌ سازي مسئله‌ و حل‌ معادلات‌ حاکم‌ بر جریان‌ سیال‌ می‌توان‌ به‌ نتایج‌ مطلوبی‌ دست‌ یافت‌. نتایج‌ حاصل‌ شده‌ از حل‌ عددي معادلات‌ گرچه‌ از نظر دقت‌ نسبت‌ به‌ نتایج‌ تجربی‌ توان‌ کمتري دارند ولی‌ نسبت‌ به‌ روش‌هاي مهندسی‌ داراي دقت‌ بسیار بالایی‌ هستند. بطور کلی‌ براي شبیه‌ سازي عددي جریان‌ سیال‌ باید مجموعه‌ معادلات‌ بقاي حاکم‌ بر آن‌ شامل‌ بقاء جرم‌، اندازه‌ حرکت‌ و انرژي (معاملات‌ ناویر استوکس‌) حل‌ شوند. این‌ معادلات‌ از نوع‌ معادلات‌ مشتقات‌ پاره‌اي بوده‌ و ثابت‌ شده‌ است‌ که‌ این‌ معادلات‌ به‌ جز در موارد بسیار خاص‌ بصورت‌ تحلیلی‌ قابل‌ حل‌ نمی‌باشند؛ بنابراین‌ معادلات‌ فوق‌ باید بصورت‌ عددي حل‌ شوند. با گسسته‌ سازي معادلات‌ و میدان‌ می‌توان‌ معادلات‌ ناویر استوکس‌ با مشتقات‌ پاره‌اي را به‌ معادلات‌ جبري تبدیل‌ نمود و به‌ حل‌ آنها پرداخت‌.

تاریخچه CFD:

سرگذشت پیدایش و گسترش دینامیک محاسباتی سیالات را نمی توان جدای از تاریخ اختراع، رواج و تکامل کامپیوترهای ارقامی نقل نمود. تاحدود انتهای جنگ جهانی دوم، بیشتر شیوه های مربوط به حل مسائل دینامیک سیالات از طبیعتی تحلیلی یا تجربی برخوردار بودند. همچون تمامی نوآوری های برجسته علمی، در این مورد هم اشاره به زمان دقیق آغاز دینامیک محاسباتی سیالات نامیسر است. در اغلب موارد، نخستین کار با اهمیت در این رشته را به ریچاردسون نسبت می دهند که در سال ۱۹۱۰ محاسبات مربوط به نحوه پخش تنش، در یک سد ساخته شده از مصالح ساختمانی را به انجام رسانید. در این کار ریچاردسون از روشی تازه موسوم به رهاسازی برای حل معادله لاپلاس استفاده نمود. او در این شیوه حل عددی، داده های فراهم آمده از مرحله پیشین تکرار را برای تازه سازی تمامی مقادیر مجهول در گام جدید به کار گرفت. از سال های ۱۹۶۰ به بعد صنعت هوافضا روش های دینامیک سیالات محاسباتی را در طراحی، تحقیق، توسعه و ساخت موتورهای هواپیما و جت به کار گرفته است.

روش های عددی مورد استفاده در CFD:

روش های عددی مورد استفاده در دینامیک سیالات محاسباتی عبارت است از:

۱- روش المان محدود؛

۲- روش حجم محدود؛

٣- روش تفاضل محدود؛

4-روش های طیفی.

در بین این روش ها، روش حجم محدود دارای کاربرد بیشتری می باشد و بیشتر نرم افزارهای تجاری، مانند نرم افزار انسیس فلوئنت در زمینه دینامیک سیالات محاسباتی نیز بر مبنای این روش بسط و توسعه یافته اند.

مراحل برنامه CFD:

۱) مدلسازی هندسه مسئله

۲) تولید شبکه مناسب برای حل

۳) انتخاب معادلات مناسب جهت حل

۴) تعریف شرایط مرزی

۵) گسسته سازی معادلات حل

۶) اجرای برنامه کامپیوتری

7) نتایج آماری و نموداری.

نرم افزار استار سی سی ام ( +STAR-CCM):

نرم افزار استار سی سی ام(+ Star-CCM) محصولی از شرکت CD-ADAPCO می باشد و به دلیل پیشرفتهای چشمگیری که در زمینه های حل عددی دست یافته به یکی از مدرن ترین نرم افزارها در بین رقبای این دسته تبدیل شده است. این نرم افزار شامل آخرین الگوریتم های عددی مانند حل های پیشرفته، حل مجزا و حل متصل بوده که از پیشرفته ترین تکنیک های برنامه نویسی استفاده کرده است. تمام این موارد اجازه می دهد تا این نرم افزار دارای دقتی بی سابقه، قابلیت اطمینان و انعطاف پذیری زیاد در حل مسائل پیچیده دینامیکی داشته باشد. این نرم افزار شامل ابزاری قدرتمند برای تولید شبکه های جدید بوده که می توان برای ساخت سلول های چندوجهی در کوتاه ترین زمان از آن استفاده کرد.

+Star-CCM جامع ترین شبیه سازی فیزیک مهندسی جهان را در داخل یک بسته یکپارچه فراهم می کند.+ Star-CCM بیشتر از یک حلگر CFD، یک فرآیند مهندسی برای حل مسائل مربوط به جریان(مایعات و گازها) و انتقال حرارت می باشد. +Star-CCM مجموعه ای شامل تمامی اجزای فرآیند مهندسی است که طیف وسیعی از نیازهای مدلسازی را فراهم می کند. برخی از اجزای این مجموعه شامل طراحی سه بعدی اجسام، ابزار آماده سازی سطوح مختلف، فناوری مش خودکار، مدل های فیزیکی از پیش تعیین شده، مدلسازی جریان مغشوش، پردازش اطلاعات است. اساس کار +Star-CCM فناوری برنامه نویسی شی- چرخشی می باشد. این برنامه برای استفاده سریع و آسان برای مدل های بزرگ طراحی شده که از سرورهای منحصر به فرد معماری استفاده می کند که به طور منحصر به فردی مش زده و پردازش های قبل از حل مسئله را همزمان و بدون نیاز به انجام کار خاصی از طرف کاربر انجام می دهد. نرم افزار استار سی سی ام اخیرا به اولین پکیج تبلیغاتی CFD تبدیل شده که قادر است مسئله ای با بیش از یک بیلیون سلول را حل کند.

مدل های فیزیکی:

مدل های فیزیکی بسیاری در نرم افزار استار سی سی ام(+Star-CCM) به طور پیش فرض وجود دارد تا محیط نرم افزاری آن را به محیطی ساده برای مدیریت تنظیمات حل تبدیل کند. برخی از مدل های موجود در این نرم افزار عبارت اند: از: