توضیحات

پروژه شبیه سازی جریان آرام و آشفته هوا داخل لوله یا خم S شکل در نرم افزار انسیس فلوئنت(Ansys Fluent)

Simulation of Laminar and Turbulent Air Flow through S-bend in Ansys Fluent Software

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.

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 انسیس فلوئنت(Ansys Fluent):

نرم افزارهایی مانند انسیس فلوئنت(Ansys Fluent)، Ansys CFX و استار سی سی ام( +STAR CCM) نرم افزارهایی برای انجام شبیه سازی های عددی هستند که به حل عددی معادلات حاکم بر پدیده های سیالاتی خواهند پرداخت. نرم افزار انسیس فلوئنت(Ansys Fluent) یکی از نرم افزارهای صنعتی مشهور می باشد که دارای قابلیت های فراوانی در تحلیل سیالات است. این نرم افزار قابلیت مدلسازی جریان های دو و سه بعدی را دارا می باشد. برای استفاده از این نرم افزار ابتدا توسط یک نرم افزار کمکی هندسه جریان مشخص گردد و عمل مش بندی نیز صورت می گیرد. نرم افزار Fluent قابلیت انجام محاسبات با دقت معمولی و دقت مضاعف را دارد و کاربر می تواند هرکدام را براساس نیاز خود انتخاب نماید. این نرم افزار برپایه روش حجم محدود که یک روش بسیار قوی و مناسب در روش های دینامیک سیالات محاسباتی است، بنا شده است. قابلیت های فراوانی نظیر مدلسازی جریان های دائم و غیر دائم، جریان لزج و غیر لزج، احتراق، جریان مغشوش، حرکت ذرات جامد و قطرات مایع در یک فاز پیوسته و ده ها قابلیت دیگر نرم افزار Fluent را به یک نرم افزار بسیار قوی و مشهور تبدیل نموده است.

نرم افزار Fluent برای تحلیل مسائل خاص، روش های شبیه سازی کامپیوتری متفاوتی را بکار می برد و برای راحتی کار، تعریف مسئله، محاسبه و دیدن نتایج، منوهای مختلفی در نظر گرفته شده است. وقتی نیاز باشد، Fluent می تواند مدل موردنظر را از دیگر نرم افزارهای تولید مدل که با آنها سازگاری دارد وارد کند. این نرم افزار امکان تغییر مش بندی به صورت کامل و تحلیل جریان با مش بندی های پیچیده را فراهم می سازد. نوع مش های قابل تولید و دریافت توسط این نرم افزار شامل مش هایی با المان های مثلثی و چهارضلعی (برای هندسه های دوبعدی) و چهاروجهی، شش وجهی، هرمی یا گوه ای(برای هندسه های سه بعدی) است. این نرم افزار با زبان برنامه نویسی C نوشته شده است و از تمامی توان و قابلیت انعطاف این زبان بهره می برد. درنتیجه این نرم افزار با استفاده از ساختار مناسب داده ها و اطلاعات، حافظه دینامیک و کنترل انعطاف پذیر محاسبات را ممکن می سازد.

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی جریان آرام و آشفته هوا در داخل لوله یا خم S شکل در نرم افزار انسیس فلوئنت(Ansys Fluent) انجام شده است. لوله یا خم S شکل و همچنین داکت های S شکل به طور معمول در سیستم های تهویه مطبوع و HVAC و سایر کاربردهای صنعتی استفاده می شوند.

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.

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 لزجت در دو حالت آرام و آشفته درنظرگرفته شده است و نتایج برای هرکدام بصورت مجزا بررسی شده است. برای حالت آشفته، از مدل جریان آشفتگی دومعادله ای k-ε Realizable استفاده شده است.

وابستگی سرعت-فشار:

به منظور ارتباط سرعت-فشار از الگوریتم سیمپل استفاده شده است.

نمونه نتایج شبیه سازی: