توضیحات
پروژه شبیه سازی جریان مغشوش در یک کانال با نمای پله وارون یا پس رو(backward facing step) در نرم افزار انسیس فلوئنت(Ansys Fluent)
جریان در کانال های با پله پسرونده:
جریان های دارای پله ویژگی ای دارند که آنها را از سایر جریان های معمول مانند جریان در طول کانال، یا جریان در لوله متمایز می کند؛ در این جریان ها، یک ناحیه جدایی(separation) وجود دارد. جریان های دارای پله معمولا در دستگاه های جریان داخلی، به طور مثال در توربین جت هواپیما منجر به گسترش ناگهانی محفظه احتراق می شوند، کاربرد دارند. جدایی، باعث افت زیادی در هد جریان شده، و همچنین باعث ایجاد سر و صدا (منبع آکوستیکی) می شود؛ بااینحال مزایایی نیز در این نوع جریان وجود دارد که در برخی کاربردها تاحد بسیار زیادی این عیوب را پوشش می دهد. برای نمونه می توان از ایجاد منطقه چرخش در سیال، نام برد که می تواند باعث بهبود اختلاط شود. علاوه بر آن، زمانی که جریان به طور همزمان دارای انتقال جرم و حرارت است؛ جدایی جریان و اتصال مجدد آن می تواند تنوع شدیدی در ضریب انتقال حرارت ایجاد کند و شدت آشفتگی را افزایش دهد. اگرچه هندسه هایی مانند کانال پسرونده و یا پیشرونده، بسیار ساده هستند؛ اما جریان سیال و انتقال حرارت در ایـن هنـدسـه هـا پیچیدگی خاص خود را دارا می باشد. جدایی جریان و جریان بازگشتی، به دلیل تغییرات ناگهانی در این هندسه ها، کاربردهای فراوانی در مهندسی دارد. این پدیده ها تأثیرات زیادی بر جریان سیال و انتقال حرارت دارند. در شکل زیر نمای کلی از هندسه پله به هنگام عبور جریان مشاهده می شود. یکی از هندسه هایی که در آن جدایی جریان اتفاق می افتد، کانال هایی با پله پسرونده است. اگرچه هندسه این کانال ها در ظاهر ساده به نظر می رسد، اما جریان سیال و انتقال حرارت بر روی این پله ها پیچیدگی های زیادی را شامل می شود. به گونه ای که چنین هندسه هایی به عنوان هندسه معیار برای معتبر سازی نتایج استفاده می شود.
ویژگی های متداول جریان عبوری از پله رو به عقب:
جریان پشت پله رو به عقب پیچیده و شامل مکانیزم های ناپایداری مختلفی می باشد. برخی از ویژگی های اصلی جریان عبوری از روی پله در شکل زیر نشان داده شده است.
شکل نمای کلی از هندسه پله به هنگام عبور جریان.
دینامیک سیالات محاسباتی (CFD):
دینامیک سیالات محاسباتی(CFD) یکی از بزرگترین زمینه هایی است که مکانیک قدیم را به علوم رایانه و توانمندی های نوین محاسباتی آن در نیمه دوم قرن بیستم و در سدة جدید میلادی وصل می کند. دینامیک سیالات محاسباتی علم پیش بینی جریان سیال، انتقال حرارت، انتقال جرم، واکنش های شیمیایی و پدیده های وابسته به آن به وسیلة حل معادلات ریاضی که قوانین فیزیکی را بیان می کنند، با استفاده از یک فرآیند عددی است. این معادلات شامل پایستاری جرم، مومنتوم، انرژی، ذرات و غیره است. در این روش با تبدیل معادلات دیفرانسیل پاره ای حاکم بر سیالات به معادلات جبری، امکان حل عددی این معادلات فراهم می شود. با تقسیم ناحیه موردنظر برای تحلیل به المان های کوچکتر و اعمال شرایط مرزی برای گره های مرزی با اعمال تقریب هایی، یک دستگاه معادلات خطی به دست می آید که با حل این دستگاه معادلات جبری، میدان سرعت، فشار و دما در ناحیه موردنظر بدست می آید. با استفاده از نتایج بدست آمده از حل معادلات می توان و برآیند نیروهای وارد بر سطوح، و ضریب انتقال حرارت و غیره را محاسبه نمود.اکنون روش دینامیک سیالات محاسباتی جای خود را در کنار روش های آزمایشگاهی و تحلیلی برای تحلیل مسائل سیالات باز کرده است و استفاده از این روش ها برای انجام تحلیل های مهندسی امری عادی شده است. درواقع تحلیل های دینامیک سیالات محاسباتی مکمل آزمایش ها و تجربیات بوده و مجموع تلاش ها و هزینه های موردنیاز در آزمایشگاه را کاهش می دهد. دینامیک سیالات محاسباتی به صورت گسترده در زمینه های مختلف صنعتی مرتبط با سیالات، انتقال حرارت و انتقال مواد به کمک سیال بکار گرفته می شود. از جمله این موارد می توان به صنعت کشتی سازی، صنعت خودروسازی، صنایع هوافضا و بسیاری موارد گسترده صنعتی دیگر اشاره کرد که دانش دینامیک سیالات محاسباتی به عنوان گره گشای مسائل صنعتی مرتبط تبدیل شده است. علی رغم اینکه قدمت دینامیک سیالات محاسباتی در دنیا چندان زیاد نیست، این شاخه از علم در ایران و در سال های اخیر، رشد بسیار خوبی داشته است.
نرم افزار انسیس فلوئنت:
نرم افزار Fluent ، یکی از قوی ترین نرم افزارهای محاسباتی برای شبیه سازی جریان سیال و انتقال حرارت در هندسه های پیچیده می باشد. برخی از قابلیت های این نرم افزار به صورت زیر می باشد: مدل سازی سیال های نیوتنی و غیر نیوتنی، جابجایی آزاد و اجباری، انتقال حرارت هدایتی و تشعشعی و جابجایی، چارچوب های چرخان و ساکن، مدل سازی جریان ها در هندسه های پیچیده دو بعدی و سه بعدی، مدلسازی جریان های پایا و گذرا، غير لزج، آرام و مغشوش، دو فازی و چند فازی، سطح آزاد با شکل های سطح پیچیده و مدل سازی جریان در محیط های متخلخل، مدل سازی مشعل های خانگی و صنعتی. از این نرم افزار در صنایع مختلف پتروشیمی، هوافضا، توربو ماشین های خودروسازی، الکترونیک (نیمه هادی ها و خنک سازی قطعات الکترونیک)، مبدل های حرارتی، تهویه مطبوع، مشعل سازی استفاده می شود. این نرم افزار قابلیت مدل سازی جریان های دو و سه بعدی را داراست. این نرم افزار بر پایه روش حجم محدود که یک روش بسیار قوی و مناسب در روش های دینامیک سیالات محاسباتی می باشد، بنا شده است. قابلیت های فراوانی نظیر مدل سازی جریانهای دائم و غير دائم، جریان لزج و غير لزج، احتراق، جریان مغشوش، حرکت ذرات جامد و قطرات مایع در یک فاز پیوسته و ده ها قابلیت دیگر Fluent را تبدیل به یک نرم افزار بسیار قوی و مشهور نموده است. آزمایشات عملی و محاسبات تئوری، دو روش اصلی و مشخص برای پیش بینی میزان انتقال حرارت و چگونگی جریان سیال در کاربردهای مختلف صنعتی و تحقیقاتی می باشند. در اندازه گیری های تجربی به دلیل هزینه های زیاد ترجیح داده می شود که آزمایش ها بر روی مدلی با مقیاس کوچک تر از نسخه اصلی انجام پذیرد. حذف پیچیدگی ها و ساده سازی آزمایش ها، خطای دستگاه های اندازه گیری و بعضی موانع در راه اندازه گیری از جمله مشکلاتی هستند که روش های عملی با آنها روبه رو هستند و کارآیی این حالت ها را در بعضی موارد مورد سوال قرار می دهند. مهمترین امتیاز محاسبات تئوری در مقایسه با آزمایشهای تجربی، هزینه کم آن است. گرچه در بسیاری موارد ترجیح داده می شود با استفاده از روش های محاسباتی، آنالیز جریان و انتقال حرارت صورت گیرد ولی تایید تحلیل های عددی نیاز به مقایسه با نتایج آزمایشگاهی و یا نتایج تایید شده دیگری دارد. در میان محققین، انجام پژوهش های تجربی ارزش بسیاری دارد و اگر بتوان آزمایش مطلوبی انجام داد، تحلیل های زیادی را بر محور آنها میتوان گسترش داد و اطلاعات فراوانی بدست آورد. در هر صورت با دسترسی به دستگاه های محاسبه گر و رایانه های قوی، امروزه در بسیاری از موارد آنالیز دینامیک سیالات و انتقال حرارت با روش های عددی انجام می پذیرد. هر چه پدیده مورد بررسی پیچیدگی بیشتری داشته باشد، روش های عددی اهمیت بیشتری پیدا می کنند. علاوه بر سرعت بیشتر محاسبات عددی، می توان با این روش ها اطلاعات کامل با جزئیات بیشتری از قبیل تغییرات سرعت، فشار، درجه حرارت و غیره را در سراسر حوزه مورد نظر به دست آورد. در مقابل، اغلب اوقات شبیه سازی آزمایشگاهی جهت بدست آوردن این گونه اطلاعات مشكل و مستلزم صرف زمان زیاد بوده و در بعضی شرایط غیر ممکن است. در اکثر مسایل مربوط به مکانیک سیالات، به دلیل پیچیدگی معادلات مربوطه، استفاده از حل تحلیلی امکان پذیر نمی باشد.
فلوئنت یک نرم افزار کامپیوتری چند منظوره برای مدل سازی جریان سیال، انتقال حرارت و واکنش شیمیایی در هندسه نوشته شده است. با توجه به محیط مناسب نرم افزار جهت تعریف مساله و شرایط های پیچیده، تعریف شرایط مرزی گوناگون و حل مسایل پیچیده شامل تأثیر پدیده های مختلف به کمک این نرم افزار قابل حل می باشد. فلوئنت برای آنالیز و حل مسایل طراحی خاص، روش های شبیه سازی کامپیوتری متفاوتی را بکار می برد. برای راحتی کار، تعریف مساله، محاسبه و دیدن نتایج ، منوهای مختلفی در نظر گرفته شده است. وقتی نیاز باشد، Fluent می تواند مدل مورد نظر را از دیگر برنامه های نرم افزارهای تولید مدل که با آنها سازگاری دارد وارد کند. این نرم افزار امکان تغییر شبکه به صورت کامل و تحلیل جریان با شبکه های بی سازمان برای هندسه – های پیچیده را فراهم می سازد. نوع شبکه های قابل تولید و دریافت توسط این گروه نرم افزاری شامل شبکه هایی با المان های مثلثی و چهارضلعی (برای هندسه های دو بعدی ) و چهاروجهی، شش وجهی، هرمی یا گوهای (برای هندسه های سه بعدی) می باشد. همچنین Fluent به کاربر اجازه دست کاری شبکه (مثلا ریز کردن یا درشت کردن شبکه در مرز و مکان های لازم در هندسه) را می دهد. این بهینه سازی برای حل شبکه، قابلیتی در اختیار کاربر قرار می دهد که نتایج را در نواحی که دارای گرادیانهای بزرگ (مثل لایه مرزی و…) باشند، دقیق تر سازد. این قابلیت ها مدت زمانی را که برای تولید یک شبکه خوب مورد نیاز است را در مقایسه با حل در شبکه های مختلف به صورت قابل ملاحظه ای کاهش می دهد.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی جریان مغشوش در یک کانال با نمای پله وارون یا پس رو(backward facing step) در نرم افزار انسیس فلوئنت(Ansys Fluent) انجام شده است.
هندسه مسئله:
هندسه مسئله در نرم افزار انسیس دیزاین مدلر(ANSYS Design Modeler) ترسیم شده است.
شبکه و مش بندی:
در گام دوم از روند شبیه سازی نیازمند شبکه بندی مناسب برای استفاده از روش حجم محدود می باشد. بنابراین یکی از مهم ترین و اساسی ترین قسمت در یک حل عددی با دقت قابل قبول با صرف کمترین هزینه و دقت مناسب و همچنین صرف زمان کم از موضوعات مهم در یک شبیه سازی موفق می باشد. در این پروژه از نرم افزار فلوئنت مشینگ(Fluent Meshing) به منظور شبکه بندی هندسه استفاده شده است.
حلگر:
نوع حلگر مورد استفاده، حلگر مبتنی بر فشار در شرایط پایا می باشد. انسیس فلوئنت براي حل معادلات فيزيكي، از روش حجم محدود استفاده ميكند. در روش حجم محدود، معادلات فيزيكي به فرم انتگرالي هستند. به طور كلي در اين نرم افزار دو شيوه براي حل معادلات وجود دارد :
حل كننده برپایه فشار ( pressure based)
حل كننده برپایه چگالی( density based)
هر دو اين حل كننده ها مي توانند گستره وسيعي از جريان ها را به خوبي پوشش دهند. در هر دو شيوه حل كننده، ميدان جريان از حل معادلات مومنتوم حاصل مي شود. به طور معمول حل كننده pressure based در جريان هاي غيرقابل تراكم و نسبتا تراكم پذير به كار مي رود در حاليكه حل كننده density based براي جريان هاي قابل تراكم سرعت بالا، طراحي شده است.
سیال:
سیال هوا می باشد.
مدل لزجت:
مدل جریان آشفتگی دو معادله ایRealizable K-ε استفاده شده است.
وابستگی سرعت-فشار:
به منظور ارتباط سرعت-فشار از الگوریتم حل کوپل استفاده شده است.
نمونه نتایج شبیه سازی:
