توضیحات
پروژه شبیه سازی جریان آب بین دو استوانه هم مرکز چرخان(جریان تیلور-کوئت) در نرم افزار انسیس فلوئنت(Ansys Fluent)
Simulation of Water Flow Between Rotating and Stationary Centric Cylinders (Taylor-Couette Flow) in ANSYS FLUENT
جریان تیلور-کوئت(Taylor-Couette):
جریان سیال بین دو استوانه هم مرکز به جریان تیلور-کوئت(Taylor-Couette) شناخته می شود که یکی از مسائل کلاسیک مکانیک سیالات است که توسط محققین زیادی مورد بررسی قرار گرفته است. شکل زیر یک شماتیک سه بعدی جریان تیلور-کوئت بین دو استوانه را نشان می دهد. در این جریان استوانه درونی با سرعت زاویه ای ثابت می چرخد و استوانه بیرونی ثابت است در فضای بین دو استوانه سیال قرار می گیرد. این جریان پس از کارهای کوئت(۱۸۹۰) و تیلور (۱۹۲۳) به نام آنها نامگذاری شد. در سرعت های دورانی پایین جریان آرام است و به آن کوئت گفته می شود ولی با افزایش سرعت دورانی گردابه هایی درون جریان به وجود می آیند که به آنها گردابه های تیلور گفته می شود زمانی که سرعت دورانی افزایش بیشتری می یابد جریان کاملا مغشوش شده و گردابه ها از بین می روند.
شکل شماتیک جریان تیلور کوئت.
کاربردهای صنعتی جریان تیلور-کوئت:
جربان کوئت تیلور به دلیل سادگی هندسی و ناپایداری هیدرودینامیکی سیال، مورد توجه بسیاری از محققان و صنعتگران قرار گرفته است. کاربردهای صنعتی سیستم کوئت-تیلور را می توان به سه دسته کلی ماشین آلات دوار، رآکتورهای شیمیایی و بیولوژیکی و سیستم تصفیه و جداسازی تقسیم بندی نمود.
عدد تیلور:
اگر در جریان تیلور-کوئت، استوانه داخلی با سرعت ثابتی دوران کند یک سرعت زاویه ای بحرانی برای استوانه داخلی وجود دارد که در سرعت های زاویه ای کوچکتر از این مقدار جریان بین دو استوانه برشی(جریان کوئت)، اما با افزایش سرعت زاویه ای گردابه های سه بعدی ایجاد می شود که به گردابه های تیلور مشهور هستند. عدد تیلور(Ta) معیاری برای نشان دادن این که چه زمانی جریان کوئت و چه زمانی گردابه های تیلور درون جریان به وجود می آیند می باشد.
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(ANSYS Fluent):
نرم افزار Ansys 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 ANSYS FLUENT را به یک نرم افزار بسیار قوی و مشهور نموده است.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی جریان آب بین دو استوانه هم مرکز چرخان(جریان تیلور-کوئت) 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 انسیس مشینگ(ANSYS Meshing) به منظور شبکه بندی هندسه استفاده شده است. تولید یک شبکه مناسب تاثیر بسیار زیادی در دقت نتایج به دست آمده خواهد داشت.
حلگر:
نوع حلگر مورد استفاده، حلگر مبتنی بر فشار در شرایط پایا و گرانشی می باشد.
سیال:
سیال مورد استفاده آب می باشد.
مدل لزجت:
مدل جریان آرام استفاده شده است.
وابستگی سرعت-فشار:
به منظور ارتباط سرعت-فشار از الگوریتم حل کوپل(Coupled) استفاده شده است.
نمونه نتایج شبیه سازی:
