توضیحات
پروژه شبیه سازی جدایش جریان مغشوش در دیفیوزر(diffuser) نامتقارن در نرم افزار انسیس فلوئنت(Ansys Fluent)
Simulation of Turbulent Air Flow Through Asymmetric Diffuser in Ansys Fluent Software
دیفیوزر(Diffuser):
دیفیوزر جزئی از سیستم‌های سیالاتی است که به عنوان کانالی با بازشدگی در مسیر جریان حضور دارد و به منظور کاهش سرعت و در پی آن افزایش فشار طراحی می‌شود. در همه‌ی توربوماشین‌ها و اکثر سیستم‌های سیالاتی از دیفیوزر استفاده می‌شود، مثل تونل باد، داکت بین کمپرسور و مشعل موتور توربین گاز، داکت خروجی از توربین گاز که به لوله‌های جت اتصال دارد، داکت قرار داده شده پس از پره های کمپرسور گریز از مرکز و غیره. مشکل اصلی در کار با یک دیفیوزر مسئله جدایش جریان(separation) و تلفات ناشی از آن است. باتوجه به اینکه کار دیفیوزر افزایش فشار جریان در طول مجرا می‌باشد ولی همین افزایش فشار در طول دیفیوزر یک گرادیان نامطلوب و مخالف برای جریان محسوب می‌شـود کـه باعث جداشـدن آن از روی دیواره و درنهایت کاهش عملکرد و کارآیی دیفیوزر به مقدار زیاد می‌شود.
دینامیک سیالات محاسباتی:
دینامیک سیالات محاسباتی یکی از زیر شاخه هاي مهم و بنیادي از علوم مهندسی، مکانیک سیالات می‌باشد که به تحلیل و بررسی سیال و جریان سیال می‌پردازد. به عنوان مثال می‌توان به بررسی جریان هواي یک سیستم تهویه مطبوع در یک اتاق، تحلیل و بررسی توزیع دماي بدنه فضاپیماها در جریان ماوراء صوت، بهینه سازي شکل مقاطع آیرودینامیکی براي رسیدن به هدف مشخص و امثالی از این قبیل اشاره کرد. روش‌هاي بررسی و تحلیل جریان را می‌توان در سه دسته روش‌هاي تجربی، روش‌هاي تحلیلی و روش‌هاي عددي تقسیم بندي کرد. البته روش‌هاي نیمه تجربی یا مهندسی نیز با تلفیق روش‌هاي تجربی و تحلیلی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. بالا رفتن سطح پیچیدگی تحلیل و طراحی‌ها باعث شده تا استفاده از روش تجربی در اکثر موارد غیر ممکن و در صورت امکان هم هزینه‌هاي هنگفتی را بطلبد. انتخاب یکی از دو روش دیگر بستگی به دقت مورد نیاز براي پارامترهاي جریان از جمله ضرائب آیرودینامیکی، توزیع فشار و توزیع سرعت دارد. با توجه به اینکه در ارتقاء طراحی‌ها به دقت‌هاي بالایی نیاز می‌باشد و روش‌هاي مهندسی هم نمی‌توانند تحلیل دقیق و قابل قبولی از مسئله داشته باشند، بنابراین با مدل سازي مسئله و حل معادلات حاکم بر جریان سیال می‌توان به نتایج مطلوبی دست یافت. نتایج حاصل شده از حل عددي معادلات گرچه از نظر دقت نسبت به نتایج تجربی توان کمتري دارند ولی نسبت به روش‌هاي مهندسی داراي دقت بسیار بالایی هستند. بطور کلی براي شبیه سازي عددي جریان سیال باید مجموعه معادلات بقاي حاکم بر آن شامل بقاء جرم، اندازه حرکت و انرژي (معاملات ناویر استوکس) حل شوند. این معادلات از نوع معادلات مشتقات پاره‌اي بوده و ثابت شده است که این معادلات به جز در موارد بسیار خاص بصورت تحلیلی قابل حل نمی‌باشند؛ بنابراین معادلات فوق باید بصورت عددي حل شوند. با گسسته سازي معادلات و میدان می‌توان معادلات ناویر استوکس با مشتقات پاره‌اي را به معادلات جبري تبدیل نمود و به حل آنها پرداخت.
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.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی جدایش جریان مغشوش در دیفیوزر(diffuser) نامتقارن 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. لازم است در نواحی که گرادیان های جریان زیاد است و یا سطح جسم از لحاظ هندسی با تغییرات زیادی همراه است، شبکه از تراکم مناسبی برخوردار باشد.
شبیه سازی و حل:
شبیه سازی در نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT) انجام شده 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 انسیس فلوئنت را تبدیل به یک نرم افزار بسیار قوی و مشهور نموده است.
حلگر:
نوع حلگر مورد استفاده، حلگر مبتنی بر فشار در شرایط پایا می باشد.
سیال:
سیال مورد استفاده هوا می باشد
مدل لزجت:
در این پروژه از دو مدل آشفتگی k-epsilon استاندارد و Transition SST استفاده شده است.
وابستگی سرعت-فشار:
به منظور ارتباط سرعت-فشار از الگوریتم حل سیمپل (SIMPLE) استفاده شده است.
نمونه نتایج شبیه سازی:
