توضیحات

پروژه شبیه سازی جریان هوای  اطراف جسم احمد(Ahmed Body) در نرم افزار انسیس فلوئنت ANSYS FLUENT

 

بهبود وضعیت آیرودینامیک خودرو سبب کاهش توان لازم و درنتیجه کاهش مصرف سوخت می شود. از طرف دیگر شکل آیرودینامیکی ایده آل، همواره با کیفیت مطلوب از لحاظ جای سرنشینان و راحتی آنان متناسب نبوده و همین امر ایجاب می کند که به کمک ادواتی، جریان هوای عبوری اطراف خودرو کنترل شود. در سال های اخیر با استفاده از طراحی مناسب و ادوات کنترل کننده جریان، اقدامات زیادی جهت نیل به بهترین فرم آیرودینامیک در صنعت خودروسازی و نیز مجامع علمی صورت پذیرفته است. مواردی همچون شکل صاف بدنه و طراحی با گوشه های با انحنای مناسب، افزایش زاویه شیشه جلو، حداقل سازی شکاف های نصب انواع دیفیوزر، یکنواخت سازی دیواره گلگیر و چرخ ها و حداقل سازی فاصله آنها، طراحی اصولی سیستم خنک کاری، کنترل هوای ورودی و… از جمله کارهای صورت گرفته در این حوزه است. در خودرو مناطق مختلف دارای مقادیر متفاوتی از فشار هستند و هنگام بررسی جریان هوای عبوری از مقابل یک خودرو با دو قسمت مواجه می شویم. نخست ناحیه پرفشار در قسمت جلوی خودرو که هوا را می شکافد و ناحیه دوم، ناحیه کم فشار پشت خودرو که در این قسمت، جریان شکافته شده هوا سعی در بازگشت به حالت عادی دارد. طبق اصل برنولی، اگر سرعت یک سیال افزایش پیدا کند، فشاری که بر یک سطح وارد می کند، کاهش می یابد و بالعکس. در این زمان قسمت پشت خودرو باید توانایی این امر را داشته باشد تا هوای شکافته شده را به آرامی ببندد یعنی سرعت جریان هوا را کاهش دهد تا کمی فشار در این ناحیه افزایش پیدا کند تا اختلاف فشار قسمت جلو و عقب کمتر شده و درنتیجه نیروی درگ(پسا) حاصل از اختلاف فشار کاهش یابد.

جسم احمد(Ahmed Body):

جسم احمد(Ahmed body) یک شکل استاندارد از شکل بدنه انواع خودروها می باشد که به واسطه الگوی جریان پشت آن، در پژوهش های حوزه خودرو مورد توجه است و معیاری برای انجام شبیه سازی های مختلف است. طول آن ۱۰۴۴ میلیمتر، ارتفاع آن ۲۸۸ میلیمتر و عرض آن ۳۸۹ میلیمتر می باشد که برروی پایه های استوانه ای ۵ میلیمتری ثابت شده است. قسمت عقب آن دارای شیب می باشد که مقدار آن لزوما در همه مطالعات و شبیه سازی ها یکسان نیست اما دو زاویه ۲۵ درجه و ۳۵ بیشترین استفاده را در پژوهش ها داشته اند.

شکل مشخصات جسم احمد.

شبیه سازی اثرات آیرودینامیکی حول یک خودروی خاص، با توجه به پیچیده بودن بدنه آن بسیار پرهزینه و زمان بر بوده و انجام این امر در کامپیوترها حتی به هفته ها زمان محاسبه نیاز دارد. علت اهمیت جسم احمد در این است که با توجه به مشابه بودن الگوی جریان اطراف آن، معیار مناسب و ارزان و قابل اعتماد برای انجام شبیه سازی اثرات آیرودینامیکی اطراف خودرو می باشد. نتایج انجام آزمایش های تجربی و محاسبات عددی بر روی جسم احمد می تواند به خودروهای سواری تعمیم داده شود.

جسم احمد برای اولین بار در پژوهش آزمایشگاهی احمد در سال ۱۹۸۴ تعریف شد که به عنوان یک مدل ساده شده از خودرو برای تحلیل آیرودینامیک در دینامیک سیالات محاسباتی استفاده می شود. جریان هوای اطراف جسم احمد، ویژگی های اساسی جریان اطراف یک خودرو را دارا می باشد. جسم احمد گرچه شکل بسیار ساده ای دارد اما در تعیین خصوصیات عمومی مرتبط با بدنه خودروها در صنعت خودرو نقش مهمی دارد و همچنین برای توصیف میدان جریان آشفته اطراف یک شکل هندسی همانند خودرو استفاده می شود. زمانی که اعتبار مدل عددی تأیید شود، برای تعیین مدل های جدید خودرو قابل استفاده می باشد. در آزمایش انجام گرفته توسط احمد، سرعت جریان در تونل باد m/s 60 بود. پیکربندی آزمایشگاهی جسم احمد در تونل باد به صورت شکل زیر می باشد.

شکل ساختار آزمایش اولیه جسم احمد.

 

ضرایب آیرودینامیکی درگ و لیفت:

جریان هوای اطراف اجسام قابل دسته بندی به دو نوع جریان های تراکم ناپذیر(برای نمونه جریان روی خودروها، زیردریایی ها و ساختمان ها) و جریان های تراکم پذیر(برای نمونه جریان روی هواپیمای سرعت بالا و موشک ها) می باشد. اثرات تراکم پذیری در سرعت های پایین قابل صرف نظرکردن می باشند. یک جسم وقتی که از یک سیال عبور می کند با مقاومت روبرو می شود. مقدار مقاومت برای انواع سیال متفاوت است. برای مثال قدم زدن در آب بسیار دشوار می باشد. یک سیال می تواند در جهات مختلف به یک جسم نیرو و گشتاور وارد کند. نیرویی که یک سیال به یک جسم در جهت جریان وارد می کند، درگ (پسا) نام دارد. نیروی درگ را می توان به طور مستقیم با وصل کردن یک فنر درجه بندی شده به یک جسم تحت تأثیر جریان سیال و اندازه گیری جابجایی در جهت جریان اندازه گرفت (دقیقا مشابه اندازه گیری وزن با یک ترازوی فنری). درگ معمولا اثری ناخوشایند است(همانند اصطکاک) و تلاش برای حداقل ساختن آن باید صورت پذیرد. کاهش درگ اثر مستقیم روی کاهش سوخت در خودروها، زیردریایی ها و هواپیماها دارد؛ همچنین امنیت و دوام سازه های تحت تأثیر بادهای شدید بهبود می یابد و نویز و ارتعاش کاهش می یابد. اما در برخی موارد هم درگ اثر سودمندی دارد و تلاش برای بیشینه کردن آن صورت می گیرد. برای مثال اصطکاک در ترمز خودروها نجات دهنده است؛ به طور مشابه درگ استفاده از چتر نجات را ممکن می سازد و حتی گرده افشانی را ممکن می سازد. یک سیال ساکن فقط نیروی فشاری عمود به سطح یک جسم غوطه ور در خود وارد می کند. اما یک سیال در حرکت به علت وجود شرط غیرلغزشی ایجاد شده با اثرات گرانروی، نیروهای مماسی برشی نیز به سطح وارد می کند. هر دوی این نیروها مؤلفه هایی در جهت جریان دارد و در نتیجه نیروی درگ به علت اثرات ترکیبی فشار و نیروهای برشی دیواره در جهت جریان است. مؤلفه های فشار و نیروهای برشی دیواره در جهت عمود بر جریان تمایل به حرکت جسم در آن جهت دارد و مجموع آنها لیفت (برا) نام دارد. برای جریان های دوبعدی، حاصل فشار و نیروهای برشی قابل تقسیم به دو مؤلفه است: یکی در جهت جریان که نیروی درگ می باشد و دیگری در جهت عمود بر جریان که لیفت می باشد.

شکل نیروهای فشاری و گرانروی وارد بر یک جسم دوبعدی.

 

نیروی لیفت که در جهت عمود بر جریان است، برای یک جسم متقارن که جهت حرکت آن کاملا همسو با جهت جریان است، صفر می باشد زیرا نیروها در دو جهت عمود بر جریان دقیقا با یکدیگر برابر می باشند و همدیگر را خنثی می کنند. هر چقدر که جسم از تقارن ظاهری خارج شود و یا زاویه بین حرکت جسم و جهت جریان ایجاد شود(زاویه حمله ایجاد شود)، لیفت مثبت یا منفی می شود(بسته به انتخاب اختیاری جهت محور). بنابراین با ایجاد تغییرات در ساختار یک آزمایش، مقدار لیفت مثبت، صفر یا منفی می تواند شود. درگ این گونه نیست. برای جریان های سه بعدی یک مؤلفه نیروی جانبی عمود بر صفحه نیروی درگ- لیفت وجود دارد که تمایل به جابجایی جسم در آن جهت دارد. نیروهای سیال همچنین ایجاد گشتاور می کنند که موجب چرخش جسم می شود. گشتاور حول جهت جریان، گشتاور چرخشی، گشتاور حول جهت لیفت، گشتاور انحرافی و گشتاور حول جهت نیروی گشتاور پیچ نامیده می شود.نیروی درگ و لیفت به چگالی سیال، سرعت جریان، اندازه، شکل و جهت گیری جسم بستگی دارد. استفاده از اعداد بدون بعدی که نمایانگر ویژگی های درگ و لیفت یک جسم است، کاربردی تر می باشد. این اعداد ضریب درگ C_D و ضریب لیفت C_L می باشند که به صورت زیر تعریف می شوند.

C_D=F_D/1/2ρV²A

C_L=F_L/1/2 ρV²A

در روابط فوق، A معمولاً مساحت نمای جلوی جسم(سطح تصویر شده بر صفحه ای عمود بر جهت جریان) می باشد. A مساحتی است که توسط شخصی دیده می شود که به جسم از جهت جریان سیال نگاه می کند.

جدایش جریان:

یک سیال هنگام گذر از یک سطح منحنی در سرعت های بالا، قسمت جلویی سطح منحنی را بدون هیچ مشکلی دنبال می کند اما به سطح قسمت پشت نمی تواند کاملا چسبیده بماند. در سرعت های به اندازه کافی بالا، جریان سیال خودش را از سطح جسم جدا می کند که این پدیده جدایی جریان نام دارد. جریان می تواند از یک سطح جدا شود حتی اگر به طور کامل در یک مایع فرو رود یا در یک گاز غوطه ور شود. محل نقطه جدایی به عوامل مختلفی از جمله عدد رینولدز، زبری سطح و نوسانات جریان آزاد بستگی دارد و معمولا پیش بینی محل دقیق جدایی مشکل است مگر اینکه گوشه های تیز یا تغییرات ناگهانی در شکل سطح جامد وجود داشته باشد. وقتی که یک سیال خودش را از یک جسم جدا می کند، یک ناحیه جدایی بین جسم و جریان سیال ایجاد می کند. این ناحیه کم فشار پشت جسم که در آن گردش مجدد سیال و جریان معکوس رخ می دهد، ناحیه جدایی نام دارد. هر چقدر ناحیه جدایی بزرگتر باشد، درگ بیشتر می شود. ناحیه ای از جریان عقب جسم که در آن اثرات جسم بر سرعت احساس می شود، رد دنباله یا ویک (Wake) نام دارد. ناحیه جدایی وقتی که دو بخش جریان مجددا به هم می پیوندند، به پایان می رسد. بنابراین ناحیه جدایی، حجمی بسته است در حالی که ویک در عقب جسم تا زمانی که سیال در ناحیه ویک سرعت خود را مجددا بدست آورد و پروفیل سرعت دوباره یکنواخت شود، ادامه می یابد. اثرات چرخشی و گرانروی در لایه مرزی، ناحیه جدایی و ناحیه ویک بسیار قابل توجه است.

ضریب درگ در خودروها:

ضریب درگ خودروها از حدود 1.0 برای نیمه تریلرها، 0.4 برای مینی ون ها و 0.3 برای خودروهای سواری متغیر می باشد. اگر اثرات جاده روی جریان هوا نادیده گرفته شود، شکل ایده آل یک خودرو به شکل یک قطره ساده با ضریب درگ 0.1، برای مورد جریان متلاطم می باشد. اما این شکل نیاز به اصلاح دارد تا متناسب با چندین مؤلفه خارجی از قبیل چرخ ها، آینه ها، دستگیره های در و … شود. همچنین خودرو برای راحتی باید به اندازه کافی بالا باشد و باید یک حداقل فاصله ایمنی از جاده وجود داشته باشد. علاوه بر این، یک خودرو نباید بیش از حد کشیده باشد تا قابل پارک کردن در فضای کمتری باشد. با حذف این حجم های اضافی، نتیجه شکلی است که بیشتر به یک جعبه شبیه است تا یک قطره، و این شکل اولیه خودروها با ضریب درگ 0.8 در اوایل دهه ۱۹۲۰ میلادی بود.

در آن روزها این مشکلی نبود زیرا سرعت خودروها پایین بود و سوخت ارزان بود و درگ فاکتور مهم طراحی نبود. میانگین ضریب درگ خودروها تا حدود 0.7 در دهه ۱۹۴۰، 0.55 در دهه ۱۹۷۰، 0.45 در دهه ۱۹۸۰ و 0.3 در دهه ۱۹۹۰ کاهش یافت که نتیجه اهمیت بیشتر به شکل خودرو بوده است. ضریب درگ خودروهای مسابقه ای خوش ساخت 0.2 می باشد اما این مهم وقتی بدست می آید که راحتی راننده در اولویت نباشد. باتوجه به این که حد پایین نظری ضریب درگ 0.1 است، فضای کمی برای بهبود ضریب درگ خودروهای سواری از مقداری فعلی وجود دارد.

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.

حل معادلات براي نرم افزار انسیس فلوئنت:

انسیس فلوئنت یکی از کامل ترین، قوی ترین و کاربردی ترین نرم افزارهای CFD در دنیا می باشد. سهولت استفاده از این نرم افزار، قابلیت های فراوان در حل و آنالیز جریان های مختلف سبب شده است از نرم افزار فلوئنت در صنعت استفاده های گسترده ای صورت پذیرد. این نرم افزار از روش حجم محدود که یک روش بسیار قوي و مناسب در روش های دینامیک سیالات محاسباتی می باشد، بنا شده است. فلوئنت قابلیت های فراوانی نظیر مدل سازی جریان های دائم و غیر دائم، جریان لزج و غير لزج، احتراق، جریان هاي مغشوش، حرکت ذرات جامد و قطرات مایع در یک فاز پیوسته و ده ها قابلیت دیگر را داراست که آن را تبدیل به یک نرم افزار بسیار قوي و مشهور نموده است.

همچنین این نرم افزار به کاربر اجازه دستکاري شبکه (مثلا ریزکردن یا درشت کردن شبکه در مرزها و مکان هاي لازم در هندسه شبکه) را می دهد. این بهینه سازي براي حل شبکه، قابلیتی در اختیار کاربر قرار می دهد که نتایج را در نواحی که داراي گرادیان هاي بزرگ (مثل لايه هاي مرزي و…) باشند، دقیقتر سازد. این قابلیت ها مدت زمانی را که برای تولید یک شبکه خوب مورد نیاز است را در مقایسه با حل در شبکه هاي با سازمان به صورت قابل ملاحظه اي کاهش می دهد. در نرم افزار انسیس فلوئنت می توان از سه رژیم جریان بدون لزجت، آرام و درهم جهت معادله بندی مدل با توجه به شرایط عدد رینولدز در شرایط مسئله پرداخت، که در حالت درهم از معادلات مطرحی چون کی- اپسیلون یا کی- امگا می توان بهره کافی برد. یکی از مهم ترین قابلیت های نرم افزار فلوئنت امکان تعریف مرزهای متحرک یا دوار جهت مسائل مختلف و متنوعی مانند توربوماشین ها، فن ها، توربین ها، دمنده ها، پمپ ها و لوله های دوار می باشد.

با استفاده از این قابلیت می توان به نتایج خوب و قابل قبولی از جمله افت های سیالات، تنش های جداری، ضرايب درگ، افت های فشار و سرعت، محاسبه توان و راندمان این تجهیزات پرداخت. انسیس فلوئنت در فرمول بندی حل گرا از سه روش استفاده می کند:

حلگر مبتنی بر فشار

حلگر مبتنی بر چگالی ضمنی

حلگر مبتنی بر چگالی صریح

روش مبتنی بر فشار و مبتنی بر چگالی دیدگاه متفاوتی در حل معادلات پیوستگی، انرژی، مومنتوم و ترکیبات شیمیایی دارند. روش مبتنی بر فشار معادلات را پشت سر هم و در حین حال جدا از هم حل میکند ولی روش مبتنی بر چگالی معادلات را به صورت همزمان و وابسته به هم حل می کند. ضمنی و صریح بودن، روش خطی کردن معادلات را ارائه می هند. حل ضمنی بسیار سریع تر از حل کننده صریح همگرا می شود، اما حافظه بیشتری را استفاده می کند. برای مسئله دوبعدی حافظه مطرح نیست. روش مبتنی بر فشار برای جریان های تراکم ناپذیر و یا جریان های کمی تراکم پذیر به کار می رود در حالی که روش مبتنی بر چگالی به طور اختصاصی برای جریان های ( مسائل آیرودینامیک ) تراکم پذیر در سرعت های بالا طراحی شده است. انسیس فلوئنت به طور پیش فرض از روش مبتنی بر فشار استفاده می کند ولی برای جریان های تراکم پذیر سرعت بالا و همچنین نیروهای شناوری یا چرخشی استفاده از روش مبتنی بر چگالی ضمنی بهتر است. در این روش معادلات جریان و انرژی معمولا سریع تر همگرا می شوند.

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) (حل صریح و ضمنی)

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 جريانهاي قابل تراكم سرعت بالا، طراحي شده است.

روش های حل مسئله :

روش های حل CFD عبارتند از:

-روش تفاضل محدود

-روش المان محدود

روش حجم محدود

-روش های طیفی.

روش تفاضل محدود:

در این روش معادلات دیفرانسیل پاره ای در مکانیک سیالات و انتقال حرارت را به همان صورت دیفرانسیلی در نظر می گیریم و با استفاده از بسط های تیلور این معادلات را تقریب می زنیم تا تبدیل به یک سری معادلات جبری به نام معادلات تفاضل محدود شوند.

روش المان محدود:

در این روش معادلات دیفرانسیل پاره ای در مکانیک سیالات و انتقال حرارت به صورت انتگرالی نوشته می‌شوند و برای تبدیل فرم انتگرالی به فرم معادلاتی و جبری از توابع پیوسته چند تکه ای و صاف (خطی با درجه دوم) برای تقریب کمیت های مجهول استفاده می کنیم.

روش حجم محدود:

درواقع نوعی از روش المان محدود می باشد که روش تقریب این انتگرال ها با روش المان محدود متفاوت است. این روش بیشتر برای مسائل مکانیک سیالات و انتقال حرارت مناسب است و نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT) نیز بر پایه این روش برنامه ریزی شده است.

روش های طیفی:

روش های طیفی مجهولات را با استفاده از سری های منقطع فوریه و یاسری های چند جمله ای چبیشف تقریب می زنند. بر خلاف روش تفاضل محدود با المان محدود تقریب ها محلی نیستند، اما برای تمام ناحیة محاسباتی معتبر می باشند.

روش های محاسباتی:

در انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT) برای حل معادلات فیزیکی(پیوستگی، مومنتوم، انرژی و …) از روش حجم محدود استفاده می شود. در روش حجم محدود از معادلات فیزیکی در شکل انتگرالی و در روش اختلاف محدود از شکل دیفرانسیلی استفاده می شود. به طور کلی، در این نرم افزار دو شیوه برای حل معادلات وجود دارد:

حل کننده فشار مبنا Pressure Based

حل کننده چگالی مبنا Density Based

هر دوی این حل کننده ها می توانند گستره وسیعی از جریان ها را به خوبی حل کنند. اما ممکن است در بعضی از حالت ها، استفاده از یکی باعث بهتر حل شدن مسئله (به طور مثال حل سريع تر و یا دقیق تر) شود.

حل کننده Pressure-Based از قدیم در جریانهای غیر قابل تراکم و نسبتأ تراکم پذیر به کار می رفت، درحالیکه حل کننده Density-Based برای جریان های قابل تراکم سرعت بالا طراحی شده بود. اما هر دو نوع حل کننده، امروزه در گستره وسیعی از جریان های غیر قابل تراکم تا شديدا قابل تراکم قابل اجرا می باشند، ولی شیوه Density Based مزایای بیشتری نسبت به شیوه Pressure Based در جریان های قابل تراکم سرعت بالا دارد.

در حل کننده Pressure Based نیز دو نوع الگوریتم حل به صورت زیر وجود دارد:

الگوریتم Segregated

الگوریتم Coupled

معادلات حاکم، در الگوریتم Segregated به صورت مجزا از یکدیگر حل می شوند، و این در حالیست که در الگوریتم Coupled، معادله ممنتوم و معادله پیوستگی به صورت ترکیبی حل می شوند. به طور کلی الگوریتم Coupled باعث تسریع همگرایی نسبت به الگوریتم Segregated می شود، اما این روش به حافظه بیشتری نیز نیاز دارد.

انتخاب روش ارتباط فشار-سرعت:

در حل کننده Pressure Based لازم است که روش ارتباط فشار – سرعت مشخص شود. چهار نوع الگوریتم در حالت Segregated برای بیان ارتباط فشار – سرعت وجود دارد که عبارتند از:

الگوریتم SIMPLE

الگوریتم SIMPLEC

الگوریتم PISO

الگوریتم Coupled

به طورکلی در حالت دائم از روش های SIMPLE یا SIMPLEC استفاده می شود، در حالی که روش PISO برای حالت غیر دائم یا گذرا پیشنهاد می شود. همچنین برای اینکه بتوان از حل کننده Pressure Based با الگوریتم Coupled استفاده کرد، باید از روش ارتباط فشار – سرعت به صورت Coupled انتخاب شود.

مقایسه روش SIMPLE و SIMPLEC :

چون در روش SIMPLEC برای کمک به بهبود همگرائی حل، فاکتور زیر تخفیف اصلاح فشار برابر یک فرض می شود، در مسائل نسبتا ساده (مثلا جریان آرامی که مدل فعال شده دیگری ندارد) اغلب استفاده از روش SIMPLEC باعث تسریع همگرایی نسبت به روش SIMPLE می شود. اما در برخی از مسائل به ویژه مسائلی که شبکه هایشان دارای مقادیر Skewness بالا می باشند، بزرگ بودن فاکتور زیر تخفیف اصلاح فشار، باعث ناپایداری حل می شود. بنابراین در این مسائل باید با مقدار Skewness شبکه را کاهش داد، با مقدار فاکتور زیر تخفیف فشار را به بزرگتر از 0.7 افزایش نداد و یا از روش SIMPLE به جای SIMPLEC استفاده کرد. در مسائل پیچیده ای که دارای توربولانس یا سایر مدل های اضافی دیگر می باشند، فقط هنگامی که ارتباط فشار – سرعت محدود شده باشد، استفاده از روش SIMPLEC باعث تسریع در همگرایی می شود و عموما در این حالت ها روش های SIMPLE و SIMPLEC  سرعت یکسانی در همگرایی خواهند داشت.

روش های مجزا سازی:

روش های مختلفی برای مجزا سازی می تواند بکار رود، این روش ها عبارتند از بالادست مرتبه اول، بالا دست مرتبه دوم، قاعده توانی و مرتبه سوم.

روش بالادست مرتبه اول(first upwind):

با فرض اینکه مقادیر پارامتر ها در مركز المان ها برای هر میدان متغیر بیانگر مقدار میانگین المان باشد و بطور کلی این مقدار را برای تمام المان ثابت نگه دارد، مقادیر پارامتر برای سطوح المان برابر با مقادير المان محاسبه می شود. به دلیل دقت پائین مرتبه اول، از این روش بیشتر برای حل های اولیه استفاده می شود و بعد از همگرایی با این روش، از روش های با دقت بیشتر استفاده می گردد.

قاعده توانی:

در روش توانی مقدار مرزی یک متغیر و با استفاده از حل دقیق معادله یک بعدی پخش و جابجائی جریان بدست می آید.

بالادست مرتبه دوم:

زمانی که دقت از مرحله مرتبه دوم مطلوب باشد، مقادیر در مرزهای المان با استفاده از رویه نوسازی خطی چند بعدی محاسبه می شود. در این روش دقت از مرتبه بالاتر در مرزهای المان به واسطه حل بسط سری های تیلور المان مرکزی حول مركز ثقل المان بدست می آید.

روش QUICK :

از نوع مرتبه دوم می باشد. این روش در بسیاری از جریان ها و بخصوص در محدوده جریان با شبکه با سازمان به خوبی جواب می دهد. ولی استفاده از آن در جریان هایی که داری جدایش و جریان های گردابی می باشد زیاد توصیه نمی شود.

وابستگی سرعت- فشار برای حلگر فشار مبنا:

وابستگی سرعت و فشار برای به دست آوردن معادله ای برای فشار استفاده می شود. رابطه سرعت و فشار در انسیس فلوئنت به کمک الگوریتم های زیر قابل بیان است:

1- الگوریتم سیمپل(SIMPLE): این الگوریتم از رابطه بین اصلاحات فشار و سرعت استفاده می کند تا قانون بقای جرم را برآورده کند و میدان فشار را به دست آورد. این الگوریتم معادله تصحیح شار را به معادله پیوستگی مجزا تبدیل می کند، تا یک معادله ی مجزا برای تصحیح فشار در سلول حاصل شود.

٢- الگوریتم سیمپل سی(SIMPLEC): این روش مشابه روش بالا می باشد و تنها تفاوت در عبارت به کار رفته برای اصلاح نرخ جریان می باشد. استفاده از این معادله شتاب قابل ملاحظه ای را در همگرایی مسائلی که ارتباط سرعت و فشار مانع اصلی حل شدن آنها است، نشان می دهد.

٣- الگوریتم پیزو(PISO) : یکی از محدودیت های دو الگوریتم بالا این است که پس از حل معادله اصلاح فشار، مقادیر سرعت جدید و دبی های مربوط به آن در تعادل اندازه حرکت صدق نمی کنند. در نتیجه محاسبات باید تا زمانی که تعادل برقرار شود، تکرار شود. ایده اصلی الگوریتم پیزو انتقال محاسبات تکراری مورد نیاز سیمپل و سیمپل سی به درون مرحله حل معادله اصلاح فشار می باشد. پس از یک یا چند حلقه اضافی پیزو، سرعت های اصلاح شده به طور دقیق تری در معادلات مومنتوم و پیوستگی صدق می کنند. مهم ترین معضل در حل جریان تراکم ناپذیر برقراری دراگیری مناسب بین میدان های سرعت و فشار می باشد. در روش های شبکه جابجاشده، میدان فشار را بر روی شبکه ای جدا از شبکهی میدان سرعت حل می کنند. اما در روش های شبکه غیرجابجا شده، اطلاعات مربوط به میدان فشار باید به طریقی وارد میدان سرعت شود. در این پروژه از الگوریتم سیمپل، برای وابستگی سرعت و فشار جریان تراکم ناپذیر استفاده می کند.

4- الگوریتم حل کوپل یا پیوسته(Coupled): با استفاده از این روش معادلات حاکم بر جریان شامل پیوستگی، مومنتم و در مواقع لازم انرژی و اجزا شیمیایی به طور همزمان حل می شوند (یعنی به یکدیگر پیوسته اند).

شرح پروژه:

پروژه شبیه سازی جریان هوای  اطراف جسم احمد(Ahmed Body) در نرم افزار انسیس فلوئنت ANSYS FLUENT انجام شده است.

هندسه مسئله:

هندسه مسئله در نرم افزار انسیس دیزاین مدلر(ANSYS Design Modeler) رسم شده است.

 

مش بندی:

مش بندی در نرم افزار انسیس مشینگ(ANSYS Meshing) انجام شده است.

شبیه سازی و حل:

شبیه سازی در نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT) انجام شده است.

مدل لزجت:

مدل لزجت، مدل آشفتگی دو معادله ایrealizable k-ε  است.

وابستگی سرعت-فشار:

در این پروژه به منظور ارتباط سرعت و فشار از الگوریتم حل کوپل یا پیوسته(coupled) استفاده شده است.

 

نمونه نتایج شبیه سازی برای سرعت 30 متربرثانیه: