توضیحات
پروژه شبیه سازی جریان آب در لوله ونتوری(venturi tube) در نرم افزار انسیس فلوئنت ANSYS FLUENT
لوله ونتوری:
لوله ونتوری (Venturi Tube) یکی از تجهیزات مهم و پر کاربرد در لوله کشی است که وظیفه شاخص اندازه گیری دبی جریان (Flow Rate) برعهده را دارد. در مکانیک سیالات دو گونه دبی جریان وجود دارد که هر دو توسط لوله ونتوری قابل اندازه گیری هستند. گونه اول دبی جرمی جریان (Mass Flow Rate) و گونه دوم دبی حجمی جریان (Volumetric Flow Rate) است. دبی جرمی جریان به زبان ساده نشان دهنده میزان جرم سیال عبوری از یک مقطع از لوله در واحد زمان است که جزو پارامترهای مهم است. این پارامتر از حاصل ضرب چگالی سیال در مساحت سطح مقطع لوله و سرعت سیال بدست می آید. دبی حجمی نشان دهنده میزان حجم سیال عبوری از یک مقطع از لوله در واحد زمان است که یکی از پارامترهای مهم جریان به شمار می رود. این پارامتر از حاصل ضرب مساحت سطح مقطع لوله در سرعت سیال بدست می آید.
رژیم جریان:
جریان آرام(Laminar flow):
جریان آرام جریانی است که در آن سیال به طریقی منظم و تحت لایه ها و مسیرهای مشخص حرکت می کند. از همین رو برای توصیف آن از عبارت طبقه طبقه شده استفاده شده است. در یک جریان آرام، شکل لایه ها مشخص و با انحنای ملایم هستند. در چنین جریانی، مولکولهای نزدیک دیواره، کندترین مولکول ها بوده و نزدیکترین دما به دمای دیواره را خواهند داشت.
شکل چگونگی تشکیل لایه مرزی و نحوه گذار روی صفحه تخت.
در شکل فوق، انتهای سمت چپ، توصیف کننده جریان آرام است. پیکان ها، جریان مولکول های سیال را به همراه مسیر لایه ای آنها نشان می دهند. در شکل زیر نیز نمونه ای از جریان آرام نشان داده شده است.
شکل نمونه هایی از جریان آرام.
جریان آشفته(turbulent flow):
در شکل مربوط به رشد لایه مرزی روی یک صفحه تخت، انتها سمت راست شکل، بیانگر جریان آشفته است. همانطور که از نام این جریان مشخص است، این جریان رفتاری اتفاقی و بی سازمان دارد. در این جریان، به واسطه فرایندهای اختلاطی شدید، جز در نواحی نزدیک به دیواره، شکل لایه های جریان به راحتی قابل تشخیص نیست و مولکول های سیال مسیر مشخصی را طی نمی کنند. در جریان آشفته سیال تحت نوسانات جریانی و فرایندهای اختلاطی شدید قرار می گیرد. این رفتار بر خلاف رفتار جریان آرام است که در آن جریان سیال تحت لایه های مشخص حرکت می کند. در جریان آشفته، سرعت در هر نقطه تحت نوسانات در اندازه و راستا قرار می گیرد. این نوسانات دائمی در اندازه سرعت را در اندازه فشار، دما و چگالی هر نقطه می توان مشاهده کرد. البته نوسانات در اندازه چگالی در جریان های تراکم پذیر و جریان های با انتقال حرارت جابجائی آزاد قابل مشاهده است. جریان در یک رودخانه خروشان و جریان ناشی از تغییرات جوی، مثال روشنی از جریانهای آشفته محسوب می شوند، اگر چه ممکن است اندازه سرعت متوسط در این جریانها پایین باشد. اغلب جریان هایی که در مسائل مهندسی با آنها دست به گریبان هستیم، جریان های آشفته محسوب می شوند، مگر در جریان هایی با اعداد رینولدز خیلی پایین، یا جریان های بسیار نزدیک به لبه حمله اجسام و یا لایه های بسیار نزدیک به سطوح جامد و یا جریان سیالاتی با ویسکوزیته بسیار بالا.
به طور کلی جریان آشفته دارای خصوصیات زیر است:
1-بی نظمی مکانی و زمانی
۲-طیف پیوسته مکانی و زمانی.
۳-معمولاً رینولدزهای بالا.
۴-اتلاف افزایش یافته انرژی و مومنتوم.
۵-اختلاط و انتقال حرارت و ضریب پسای پوسته ای افزایش یافته.
۶-سه بعدی بودن
7-حرکات غالب ورتیسیتال.
۸-تناوبی بودن.
چند نمونه مثال های رایج جریان آشفته عبارتند از:
1-جریان درون توربوماشین ها.
۲- جریان درون لوله های انتقال سیال.
3- جریان درون مبدل های حرارتی.
۴-جریان درون موتورهای احتراقی.
۵-جریان روی سطوح متحرک اجسام نظیر هواپیما.
۶- جریان های جوی و اقیانوسی.
۷- جریان های جت گاز و اسپری مایعات.
۸-جریان پشت اجسام متحرک.
راه تشخیص رژیم جریان سیال:
برای رسیدن به جریان آشفته روی سطوح جامد و داخل کانال های روباز و یا لوله ها، ابتدا جریان بایستی از حالت آرام وارد مرحله گذار و سپس وارد حالت جریان آشفته شود. گاهی اوقات نیز ممکن است به واسطه عوامل مختلف خارجی، ناحیه گذرا کوچک شده و حتی ناپدید گردد، که در این صورت تبدیل جریان آرام به آشفته را در طول یک مسیر کوتاه شاهد خواهیم بود.
به عنوان مثال در لایه مرزی تشکیل شده روی سطوح غیر هموار یا روی سطوح دارای انتقال جرم یا در جریان های اختلاطی یا در جریان های مافوق صوتی که کنش بین شوک و لایه مرزی داریم، می توان حالاتی را مشاهده نمود که در آنها تبدیل جریان آرام به آشفته، طی فاصله بسیار کوتاه اتفاق بیافتد. گذر از جریان آرام به آشفته طی فرایندی رخ می دهد که در آن هسته های محلی آشفتگی آنقدر روی هم انباشته می شوند که تمام میدان جریان را پر می کنند. به این فرایند تدریجی انباشته شدن توده های محلی آشفتگی روی هم، گذر از حالت جریان آرام به آشفته گفته می شود. برای گذر از حالت جریان آرام به آشفته، مسافت و زمان مشخصی نیاز است تا تمام جریان از هسته های آشفتگی اشباع شوند. چنانکه میزان آشفتگی موجود در جریان آزاد بالا برود یا آنکه زبری سطح افزایش یابد، می توان انتظار داشت که گذر از حالت آرام به آشفته در مسافتی کوتاه تر رخ دهد. میزان آشفتگی موجود در جریان آزاد را می توان به صورت هسته های آشفتگی موجود در جریان آزاد در نظر گرفت، چنانچه این هسته های در فضای مساعد برای رشد و نمو قرار گیرند، می توانند باعث آشفتگی جریان شوند. در برخی دیگر از مسائل مهندسی اثراتی مانند اثر گریز از مرکز، اثر تغییرات چگالی، اثر جاذبه زمین، اثر کاویتاسیون و غیره می توانند باعث آشفتگی جریان شوند. معمولا برای تشخیص آرام یا آشفتگی جریان های مهندسی از اعداد بدون بعد استفاده میشود. این عدد به صورت زیر تعریف می شود.
Re=ρU∞L/μ
در رابطه فوق ρ چگالی سیال، U∞ سرعت جریان آزاد، L طول مقیاس هندسی و μ ویسکوزیته است. به عنوان نمونه آزمایشات تجربی نشان داده اند که برای یک صفحه تخت با سطح صاف، عدد رینولدز گذار 500000=Re critical است، بدین معنی که در فاصله 500000>Rex جریان را آرام فرض نموده و برای نواحی 500000> Rex جریان آشفته محسوب می شود. سایر مقادیر بحرانی جریان های مختلف مهندسی با استفاده از آزمایشهای تجربی با روش های عددی پرهزینه تعیین می شوند.
چنانچه عدد رینولدز را به صورت زیر بیان نماییم:
Re=ρU∞L/μ=ρU2∞/μU∞L=Inertial Force/Viscous Force
می توان به راحتی دلیل آشفته شدن جریان در اعداد رینولدز بالا را توجیه نمود. به عنوان نمونه نتایج تجربی نشان داده اند که برای یک صفحه تخت با سطوح صاف، عدد رینولدز بحرانی ۱۰۰۰۰۰ است، این عدد رینولدز که بر مبنای طول صفحه بیان می شود، بدان معنا است که در فاصله ای معین از ابتدای صفحه، نیروی اینرسی ۱۰۰۰۰۰ برابر بزرگتر از نیروی لزجت است. اگر رینولدز از این مقدار کمتر باشد، نیروی لزجت قدرت لازم برای از بین بردن اغتشاش موجود در جریان را داشته و از آشفته شدن جریان جلوگیری می کند.
شرط آشفتگی جریان داخلی :
Re≥ 2300
در تعریف عدد رینولدز بحرانی در جریان داخلی از قطر هیدرولیکی به عنوان مشخصه هندسی استفاده می شود.
اثر ونتوری:
ونتوری وسیله ای است که با کاهش سطح مقطع در راستای جریان موجب کاهش فشار (در جریان مادون صوت) می شود که خط لوله گاز باید در مقطعی که فشار آن کمتر از فشار مخزن است به خط لوله هوا متصل شود. در ونتوری برای محاسبه میزان کاهش فشار با کاهش سطح مقطع می توان از معادله برنولی که از معادله اویلر با فرض ثابت بودن چگالی بدست آمده است استفاده کرد. جریان بی اصطکاک، تراکم ناپذیر، پایا، بین هر دو نقطه برای جریان بی چرخش یا بین نقاط واقع بر امتداد هر خط جریان فرض های استفاده شده در معادله برنولی هستند.
دینامیک سیالات:
دینامیک سیالات را به سه بخش تقسیم کرد:
1-دینامیک سیالات تجربی.
۲-دینامیک سیالات تئوری.
٣- دینامیک سیالات محاسباتی(CFD).
دینامیک سیالات محاسباتی یا CFD عبارت است از تحلیل سیستم های شامل جریان سیال، انتقال حرارت و پدیده های همراه، نظیر اختلاط دو سیال و واکنشهای شیمیایی، براساس شبیه سازی کامپیوتری، بکارگیری این روش طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی و غیرصنعتی را در بر می گیرد. برخی مثال ها عبارتند از:
۱- آیرودینامیک هواپیما و وسایل نقلیه.
۲-هیدورودینامیک کشتی ها.
٣- احتراق در موتورهای درونسوز و توربین های گاز.
۴-جریان در کمپرسورها و پمپ ها.
لذا CFD بطور فزاینده ای به صورت یک جزء اساسی در طراحی تولیدات صنعتی و پیشگویی فرآیندها در آمده است. به علاوه CFD در طراحی سیستم های سیالاتی چند مزیت منحصر به فرد نسبت به روشهای تجربی دارد:
1-کاهش اساسی در زمان و قیمت طراحی های جدید.
2-توانایی مطالعه سیستم هایی که انجام آزمایش روی آنها غیرممکن است(نظیر پیشگویی های جوی).
3-توانایی مطالعه سیستم های تصادفی
۴-وضوح جزئیات در نتیجه.
۵-عدم تغییر در پدیده به دلیل تجهیزات.
مراحل برنامه CFD:
در همه روش های مختلف عددی در CFD (تفاضل محدود، المان محدود، حجم محدود و …) اعمال زیر انجام می شود:
1-تقریب متغیرهای مجهول.
۲-گسسته سازی معادلات حاکم
۳- حل معادلات جبری.
تفاوت های اصلی میان روش های مختلف در نحوه تقریب متغیرها و فرایند گسسته سازی است.
روش حجم محدود:
این روش ابتدا بعنوان یک فرمول بندی اختلاف محدود ویژه توسعه یافت و در اغلب برنامه های تجاریCFD مورد استفاده قرار گرفت.
الگوریتم حل شامل مراحل زیر است:
1-انتگرال گیری از معادلات حاکم بر جریان سیال روی تمام حجم های کنترل مربوط به میدان حل.
۲-گسسته سازی، جایگذاری نوعی از تقریب های اختلاف محدود برای عبارت های داخل معادله انتگرالی است، که فرآیندهایی مانند جابجایی، نفوذ و چشمه ها را نشان می دهد. این عمل معادلات انتگرالی را به یک سیستم معادلات جبری تبدیل می کند.
3-حل معادلات جبری با استفاده از یک روش تکرار.
قدم اول، یعنی انتگرال گیری از حجم کنترل، روش حجم محدود را از سایر روش های CFD متمایز میکند. دیدگاه حجم محدود، بقا محلی هر خاصیت از سیال را برای هر حجم کنترل تضمین می کند. این رابطه روشن بین الگوریتم عددی و قاعده کلی بقاء یکی از جاذبه های اصلی روش حجم محدود است و درک مفاهیم آن، خیلی ساده تر از روش های عناصر محدود و طیفی است. تغییرات یک متغیر در داخل حجم کنترل به صورت زیر بیان می شود.
برنامه های CFD، شامل روش های گسسته سازی مناسب، برای حل پدیدهای انتقالی مهم، جابجایی(انتقال به دلیل جریان سیال)، نفوذ(انتقال به دلیل تغییرات متغیر از نقطه ای به نقطه دیگر) و همچنین چشمه و چاه (همراه با تولید یا اتلاف متغیر) و نرخ تغییر نسبت به زمان هستند.
همگرایی، سازگاری و پایداری:
فهم مناسب الگوریتم حل عددی نیز یک مسئله مهم است. سه ایده ریاضی در مشخص کردن کارایی یا عدم کارایی یک الگورتیم مفید است: همگرایی(convergency)، سازگاری(consistency) و پایداری(stability). همگرایی، خاصیتی از روش عددی برای به دست آوردن جوابی است که به حل دقیق نزدیک است، بطوری که اندازه شبکه، اندازه حجم کنترل یا المان به سمت صفر میل می کند. طرح عددی سازگار زمانی که اندازه شبکه به سمت صفر میل می کند، با معادلات حاکم معادل است. پایداری در روش عددی با میرایی خطاها همراه است. اگر یک روش پایدار نباشد، حتی با گرد کردن خطاها در داده های اولیه، می تواند موجب واگرایی یا نوسانات زیاد شود.
مراحل کاری تمام برنامه های CFD از جمله انسیس فلوئنت به صورت زیر است:
١- ترسیم هندسه
۲- تولید شبکه
3- تعریف شرایط مرزی
۴- تعریف خواص مواد
۵- تعریف مدل های حل
۶- حل مسئله
قابلیت های نرم افزار انسیس فلوئنت:
نرم افزار انسیس فلوئنت، نرم افزاری مناسب جهت مدل کردن جریان سیال یا انتقال حرارت در هندسه های پیچیده است. 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 چهار ضلعی(برای هندسه های دو بعدی) و چهاروجهی، شش وجهی، هرمی یا گوه ای(برای هندسه های سه بعدی) است. همچنین نرم افزار انسیس فلوئنت به کاربر اجازه بهبود شبکه(مثلاً ریزکردن یا درشت کردن شبکه در مرزها و مکان های لازم در هندسه) را می دهد. این بهینه سازی نتایج را در ناحیه ای که دارای گرادیان های بزرگ است، دقیق تر نشان می دهد. این قابلیتها مدت زمان حل را برای هر هندسه ای کاهش می دهد.
نرم افزار انسیس فلوئنت قابلیت شبیه سازی و مدل کردن موارد زیر را دارد:
١- جریان در هندسه های پیچیده دو بعدی و سه بعدی با امکان بهینه سازی حل و شبکه،
2- جریان تراکم پذیر و تراکم ناپذیر.
٣- تحلیل پایا (steady state) یا گذرا (transient)،
۴- جریان های غیر لزج(inviscid)، آرام و آشفته
5-سیالهای نیوتنی و غیرنیوتنی،
6- انتقال حرارت جابجایی(convection)، جابجایی آزاد یا اجباری،
7-ترکیب انتقال حرارت جابجایی – هدایتی(conduction-convection)،
8- انتقال حرارت تشعشعی(radiation)
۹- مدل های چرخان یا ساکن،
۱۰- شبکه های لغزان و شبکه های متحرک(moving mesh)
۱۱- واکنش های ترکیبات شیمیایی، شامل احتراق(combustion) و مدل های واکنشی،
۱۲- اضافه کردن ترم های اختیاری حجمی از گرما، جرم، ممنتوم، اغتشاش و ترکیبات شیمیایی،
۱۳- جریان در محیط متخلخل(porous media)،
۱۴- مبدل های حرارتی(heat exchanger)، دمنده ها، رادیاتورها و بازده آنها.
۱۵- جریان های دوفازی، چندفازی
۱۶- جریان های سطح آزاد با شکل های سطح پیچیده.
مزایای ذکرشده سبب می شود که انسیس فلوئنت در گستره وسیعی از صنایع شامل موارد ذیل بکارگرفته
شود:
١- کاربرد در تجهیزات پروسس و پتروشیمی، تولید انرژی(توان)، نفت و گاز
٢- کاربردهای محیطی(تغییرات وضع آب وهوا)، هوافضا، توربوماشین ها، اتومبیل.
٣- مبدلهای حرارتی، الکترونیک(نیمه هادی ها و همچنین خنک سازی قطعات الکترونیک).
4-تهویه مطبوع و تبرید، فرآیند مواد و تحقیقات آتش و طراحی ساختمان به عبارتی، انسیس فلوئنت یک انتخاب بسیار مناسب برای مدل کردن انواع جریان سیال در انواع هندسه های پیچیده است.
مدل سازی آشفتگی:
تاکنون مدل های زیادی برای مطالعه عددی جریان آشفته ارائه شده اند. هریک از این مدلها در شرایطی خاص برای میدان جریان معتبر هستند. هدف نهایی این مدلها محاسبه تنش رینولدز در نقاط مختلف جریان است.
جدول دسته بندی مدل های آشفتگی.
برای مقایسه مدلها از جدول زیر میتوان کمک گرفت. از بالا به پایین دقت و هزینه افزایش می یابد.
جدول مدلهای آشفتگی.
مروری بر روش های عددی:
نرم افزار انسیس فلوئنت امکان استفاده از هر دو روش عددی زیر را به کاربر می دهد:
روش حل تفکیکی(segregated).
حل کننده پیوسته(coupled).
با استفاده از هرکدام از روش های بالا نرم افزار انسیس فلوئنت معادلات انتگرالی بقای جرم و مومنتوم و درصورت لزوم برای دیگر اسکالرها مانند انرژی، غلظت و آشفتگی حاکم بر مسئله را حل خواهد نمود.
در هر دو حالت تکنیکی براساس حجم کنترل بکار می رود که شامل موارد زیر است:
1-تقسیم محدوده حل به حجم های کنترل جدا از هم با استفاده از یک شبکه محاسباتی.
2-انتگرال گیری از معادلات حاکم بر مسئله در حجم های کنترل برای تشکیل معادلات جبری مربوط به مجهولات از قبیل سرعت، فشار، دما و غلظت.
3-خطی کردن معادلات گسسته شده و حل دستگاه معادلات خطی حاصل برای رسیدن به مقادیر تصحیح شده متغیرهای وابسته.
این دو روش عددی از یک روش گسسته سازی(حجم محدود) استفاده می کنند، اما روش خطی سازی و حل معادلات گسسته شده متفاوت است.
روش حل تفکیکی:
با استفاده از این روش، معادلات حاکم بر مسئله به صورت ترتیبی حل می شوند. چون معادلات حاکم غیرخطی تکرارهای زیادی از حلقه حل برای رسیدن به یک حل همگرا باید انجام شود. هر تکرار شامل مراحل شکل زیر است:
١- خواص سیال براساس حل موجود تصحیح می شود(اگر حل تازه آغاز شده است خواص سیال براساس حل اولیه تصحیح می شوند).
2- برای تصحیح میدان سرعت هرکدام از معادلات u، v و w مومنتوم براساس مقادیر حاضر فشار و دبی های جرمی از صفحات حل می شوند.
3-سرعت های بدست آمده در مرحله ۱ ممکن است به طور موضعی معادلة پیوستگی را ارضا نکنند، یک معادله برای تصحیح فشار، از معادله پیوستگی و معادلات خطی شده مومنتوم مشتق می شود.
سپس این معادله تصحیح فشار برای بدست آوردن اصلاحات ضروری برای میدان های فشار، سرعت و دبی های جرمی سطوح برای ارضا معادله پیوستگی حل می شود.
۴-در صورت لزوم، معادلات مربوط به اسکالرها از قبیل آشفتگی، انرژی و تشعشع با استفاده از مقادیر تصحیح شده دیگر متغیرها حل می شوند.
5-هنگامیکه بایستی وابستگی بین فازی درنظرگرفته شود، عبارات منبع در معادلات فاز پیوسته، ممکن است با یک محاسبه در مسیر فاز مجزا تجدید شوند.
۶- همگرایی حل کنترل می شود.
این مراحل تا رسیدن به معیار همگرایی تکرار می شود.
شکل روش حل تفکیکی.
روش حل پیوسته:
در این روش معادلات حاکم بر مسئله به صورت همزمان حل میشوند. معادلات لازم برای دیگر اسکالرها به صورت مجزا (جدا از یکدیگر و جدا از سری معادلات متصل به هم) با استفاده از روش حل تفکیکی حل میشوند. چون معادلات حاکم غیرخطی و مرتبط بایکدیگر هستند تکرارهای زیادی از حلقه حل برای رسیدن به یک حل همگرا باید انجام شود.
هر تکرار شامل مراحل زیر است:
١- خواص سیال براساس حل موجود تصحیح می شوند(اگر حل تازه آغاز شده است خواص سیال براساس حدس اولیه تصحیح می شوند).
2-معادلات پیوستگی و مومنتوم و انرژی و گونه های شیمیایی به صورت همزمان حل می شوند.
3-معادلات مربوط به اسکالرهایی از قبیل آشفتگی با استفاده از مقادیر از قبل تصحیح شده برای دیگر متغیرها حل می شوند.
۴- هنگامی که باید وابستگی بین فازی درنظرگرفته شود، عبارات منبع در معادلات فاز پیوسته ممکن است با یک محاسبه در تغییر فاز مجزا تجدید شوند.
5-همگرایی دستگاه معادلات کنترل می شود.
این مراحل تا رسیدن به معیار همگرایی تکرار می شود.
شکل روش حل پیوسته.
هر دو حل کننده جواب های دقیقی را برای گستره وسیعی از مسائل می دهند. ولی برای برخی از مسائل ممکن است یک فرمول بندی بهتر عمل کند(سریعتر به حل برسد). معادلات حاکم حل کننده های تفکیکی و پیوسته در روشی که معادلات پیوستگی، مومنتوم و در صورت لزوم انرژی و معادلات گونه های شیمیایی حل می شوند، تفاوت دارند. حل کننده تفکیکی در اصل برای جریان های غیر قابل تراکم و نسبتا قابل تراکم استفاده می شود. در طرف دیگر، حل کننده پیوسته اصولا برای جریان های قابل تراکم با سرعت بالا طراحی شده است. هر دو روش در حال حاضر برای گستره وسیعی از جریان ها استفاده می شوند(از غیر قابل تراکم تا کاملا قابل تراکم). ولی حل کننده پیوسته در جریان های قابل تراکم با سرعت بالا بهتر عمل نماید. به صورت پیش فرض نرم افزار انسیس فلوئنت از حل کننده تفکیکی استفاده می کند، ولی همانگونه که در بالا شرح داده شد ممکن است بهتر باشد در جریان های تراکم پذیر، جریان های مرتبط با نیروهای جسمی قوی (نیروهای چرخشی)، یا جریان های حل شده در شبکه بندی های بسیار ریز از حل کننده پیوسته صریح استفاده شود. این حل کننده معادلات جریان و انرژی را به هم مرتبط می کند که این اغلب باعث همگرایی سریعتر حل می شود ولی ایراد این کار این است که به حافظه بیشتر نسبت به حل کننده تفکیکی احتیاج دارد.
انتخاب روش گسسته سازی(discretization):
نرم افزار انسیس فلوئنت امکان انتخاب روش گسسته سازی برای عبارت جابجایی برای هر معادله حاکم بر مسئله را می دهد. هنگامی که از حل کننده تفکیکی استفاده می شود، همه معادلات، بطور پیش فرض با استفاده از گسسته سازی مرتبه اول برای جابجایی حل می شوند. هنگامیکه یکی از حل کننده های پیوسته
استفاده می شود، معادلات جریان بطور پیش فرض با استفاده از روش مرتبه دوم حل می شوند و دیگر معادلات بطور پیش فرض با روش مرتبه اول حل می شوند.
مرتبه اول و مرتبه دوم:
هنگامی که جریان با شبکه موازی است(مانند جریان آرام در یک کانال مستطیلی با شبکه بندی چهارضلعی یا شش وجهی) روش گسسته سازی مرتبه اول ممکن است قابل قبول باشد. هنگامی که جریان با شبکه بندی موازی نیست(مانند زمانیکه جریان بطور مایل از خطوط شبکه بندی عبور میکند) روش گسسته سازی مرتبه اول خطاها را افزایش می دهد. برای شبکه های مثلثی و هرمی، که جریان هیچگاه با شبکه بندی موازی نیست، عموماً نتایج دقیق تری با استفاده از گسسته سازی مرتبه دوم به دست می آید. برای شبکه های چهار ضلعی، شش وجهی، نتایج بهتری با استفاده از گسسته سازی مرتبه دوم، بخصوص برای جریان های پیچیده، به دست می آید.
درنهایت اگرچه روش گسسته سازی مرتبه اول عموما همگرایی بهتری را نسبت به روش مرتبه دوم نتیجه می دهد، ولی معمولا جواب های با دقت کمتری را بدست می آورد، بخصوص برای شبکه بندی های مثلثی و هرمی برای یک جریان ساده که با شبکه بندی موازی است(مانند جریان آرام در یک کانال مستطیلی با یک شبکه بندی چهار ضلعی یا شش وجهی) نفوذ عددی بطورطبیعی کم خواهد بود، لذا میتوان عموماً روش مرتبه اول را بجای روش مرتبه دوم بدون از دست دادن زیاد دقت بکار برد. بطور خلاصه، اگر مشکلات رسیدن به همگرایی با استفاده از روش گسسته سازی مرتبه دوم بوجود آمد، باید از روش گسسته سازی مرتبه اول بجای مرتبه دوم استفاده نمود.
روش های توان پیرو و QUICK:
روش گسسته سازی QUICK ممکن است برای جریانهای پیچشی و چرخشی حل شده در شبکه بندی چهارضلعی یا شش وجهی نسبت به روش مرتبه دوم دقت بهتری را نتیجه دهد. به هر حال روش مرتبه دوم کافی بوده و روش QUICK بهبود چشمگیری را در دقت نمی دهد. روش توان پیرو هم در دسترس است ولی بطور کلی دقتی بیش از روش مرتبه اول را نتیجه نمی دهد.
انتخاب روش درونیابی فشار:
هنگامی که از حل کننده تفکیکی استفاده می شود تعدادی از روش های درونیابی فشار در انسیس فلوئنت در دسترس هستند. برای اکثر موارد روش استاندارد قابل قبول است، ولی برای برخی از انواع مدل ها ممکن است دیگر روش ها مفیدتر باشند:
۱- برای مسائل شامل نیروهای حجمی بزرگ، روش وزنی براساس نیروی جسمی پیشنهاد می شود.
۲- برای جریان های با چرخش بالا، جابجایی طبیعی با عدد رایلی بالا، جریان های چرخشی با سرعت زیاد، جریان های شامل محیط های متخلخل، جریان های در مسیرهای بسیار خمیده، از روشPRESTO استفاده شود.
۳- برای جریان های قابل تراکم روش مرتبه دوم پیشنهاد می شود.
۴- از روش مرتبه دوم برای دقت بهبود یافته هنگامیکه روش های دیگر قابل اجرا نیستند استفاده میشود (مانند جریان اطراف یک مرز منحنی با شبکه بندی غیر از چهار ضلعی، یا شش وجهی).
انتخاب روش پیوند فشار – سرعت:
برای حل کننده تفکیکی، سه روش پیوند فشار- سرعت در انسیس فلوئنت موجود است: ,SIMPLE SIMPLEC و PISO. در محاسبات حالت دائم معمولا از SIMPLE یا SIMPLEC استفاده می کنند درحالیکه PISO برای محاسبات حالت گذرا پیشنهاد می شود. همچنین PISO ممکن است برای محاسبات حالت دائم و حالت گذرا در شبکه بندی های با پیچش و انحراف زیاد مفید باشد. پیوند فشار-سرعت تنها مربوط به حل کننده تفکیکی است و برای حل کننده های پیوسته نیاز به تعیین آن نیست.
الگوریتم SIMPLE و SIMPLEC:
الگوریتم پیش فرضSIMPLE است ولی برای بسیاری از مسائل استفاده ازSIMPLEC مفیدتر خواهد بود بخصوص به علت مقادیر افزایش یافته مادون رهایی که می توان بکار برد. برای مسائل غیر پیچیده که در آن همگرایی وابسته به پیوند فشار – سرعت است، اغلب می توان با استفاده از SIMPLEC بسیار سریعتر به همگرایی رسید. با استفاده از SIMPLEC فاکتور مادون رهایی تصحیح فشار عموما یک قرار داده می شود که باعث سرعت گرفتن همگرایی می شود. به هرحال در برخی مسائل برابر یک قرار دادن فاکتور مادون رهایی تصحیح فشار می تواند باعث ناپایداری شود. در این موارد احتیاج است که از فاکتور مادون رهایی پایدارتری یا از الگوریتم SIMPLE استفاده نمود. برای مسائل پیچیده شامل آشفتگی و یا مدل های فیزیکی فعال دیگر، SIMPLEC همگرایی را اگر تنها وابسته به پیوند فشار-سرعت باشد بهبود خواهد بخشید. اگر پارامتر دیگری بر همگرایی موثر باشد الگوریتم های SIMPLEC و SIMPLE سرعت همگرایی یکسانی خواهند داشت.
الگوریتم PISO:
الگوریتم PISO با تصحیح همسایگی قویاً برای همه محاسبات جریان های ناپایدار توصیه می شود. این الگوریتم اجازه استفاده از بازه های زمانی بزرگتر را همانند فاکتورهای مادون رهایی برابر یک، برای مومنتوم و فشار می دهد. برای مسائل حالت دائم الگوریتم PISO با تصحیح همسایگی فایده چندانی نسبت به الگوریتم SIMPLE یا SIMPLEC با مقادیر بهینه مادون رهایی نخواهد داشت. الگوریتم PISO با تصحیح اریبی برای هر دو محاسبات حالت دائم و گذرا در شبکه بندی های با مقدار زیاد انحراف و تغییر شکل پیشنهاد می شود. هنگامی که از الگوریتم PISO با تصحیح همسایگی استفاده می شود ضرایب مادون رهایی برابر یک یا نزدیک یک برای همه معادلات پیشنهاد می شود.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی جریان آب در لوله ونتوری(venturi tube) در نرم افزار انسیس فلوئنت ANSYS FLUENT انجام شده است.
هندسه مسئله:
هندسه مسئله در نرم افزار سالیدورک و انسیس دیزاین مدلر(ANSYS Design Modeler) رسم شده است.
شبکه و مش:
شبکه و مش در نرم افزار انسیس مشینگ(ANSYS Meshing) تولید شده است.
شبیه سازی و حل:
شبیه سازی و حل مسئله در نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT) انجام شده است.
حلگر:
از حلگر فشار مبنا (pressure based) در شرایط پایا استفاده شده است.
مدل لزجت:
مدل آشفتگی دو معادله ایSST k-ω استفاده شده است.
سیال:
سیال مورد استفاده آب می باشد که خواص آن در شکل زیر نشان داده شده است.
وابستگی سرعت-فشار:
برای وابستگی سرعت-فشار از الگوریتم حل کننده پیوسته(coupled) استفاده شده است. برای گسسته سازی معادله فشار از روش مرتبه دوم و برای گسسته سازی معادلات مومنتوم و انرژی از طرح بالادست مرتبه دوم(second order upwind) استفاده شده است.
نمونه نتایج شبیه سازی:
