پروژه شبیه سازی جریان ناپایا سیال آب عبوری از روی استوانه در نرم افزار انسیس فلوئنت(Ansys Fluent)

توضیحات

پروژه شبیه سازی جریان ناپایا سیال آب عبوری از روی استوانه در نرم افزار انسیس فلوئنت(Ansys Fluent)

در دنیای واقعی سازه های زیادی به شکل استوانه می باشد که در مسیر عبور جریان قرار دارند. دودکش کارخانه های صنعتی و پایه پل ها نمونه هایی در دنیای واقعی هستند. از نمونه های دیگر می توان به طراحی ایرفویل ها، هارددیسک ها، برج ها، سکوهای نفتی و وسایل نقلیه اشاره نمود. با توجه به اهمیت سازه های استوانه ای در صنعت دانشمندان همواره علاقه مند به مطالعه عددی و آزمایشگاهی جریان سيال عبوری از روی استوانه ها می باشند. اثراتی از قبیل جدایی جریان، ریزش گردابه، القای نیروهای نوسانی به جسم، ایجاد سر و صدا، تغییرات اساسی در وضعیت جابجایی جسم و پخش متغیرهای اسکالر جریان، تنها بخشی از آثار حضور استوانه ها در مسیر جریان می باشد که به بررسی دقیق نیاز دارد. از آنجایی که جریان عبوری از روی استوانه در سرعت های مختلف، رفتارهای متفاوتی از خود نشان میدهد حجم گسترده ای از مطالعات در این زمینه وجود دارد. از نظر تاریخی تحقیقات پیرامون عبور جریان حول استوانه را می توان به مطالعات دالامبر نسبت داد دالامبر در مطالعات اولیه خود پیرامون مبحث دینامیک سیالات به این نتیجه رسیده بود که پسای وارد بر یک جسم بسته دو بعدی در جریان غير لزج تراکم ناپذیر صفر است. با وجود به کار گرفتن روش های متنوع دیگر، وی در سال ۱۸۵۲ در مقاله “آزمایش نظریه ای جدید پیرامون مقاومت مایعات” و بار دیگر در سال ۱۷۶۸ در مقاله ای تحت عنوان “یادداشت هایی در ریاضیات” دوباره به همان نتیجه پسای صفر رسید. این درحالی است که از نظر فیزیکی هنگام عبور جریان از جسم، یک نیروی مقاوم وجود دارد. فقدان لزجت در محاسبات دالامبر عاملی بود که سبب ایراد این تناقض شد. بعدها، مطالعات تجربی سبب پیشرفت زیادی در درک نقش لزجت به منظور تولید نیروی پسا در جریان عبوری از جسم نوک پهن شد. مشخص شد رفتار جریان عبوری از اجسام نوک پهن وابسته به تعادل نیروی اینرسی و نیروی لزجت است و با تغییر عدد بی بعد رینولدز که بیانگر این نسبت می باشد، تغییر می کند.

جریان بر روی سیلندر یکی از جریان های پایه و مهم در مبحث مکانیک سیالات محسوب میشود. تاکنون تحقیقات بسیار زیادی بصورت عددی و آزمایشگاهی در خصوص این نوع از جریان انجام شده که عمده این تحقیقات محدود به جریان سیالات نیوتنی و غیرنیوتنی بوده است. یکی از دلایل استقبال گسترده از مطالعات مربوط به سیالات نیوتنی، مربوط به رفتار نیوتنی سیالاتی نظیر آب و هوا است. توسعه دانش مکانیک سیالات نیوتنی عمدتا مرهون کاربرد این دو سیال در صنعت هوانوردی و کشتی سازی است. همچنین این دو سیال در سایر صنایع و جنبه های زندگی بشر نیز دارای کاربردهای متعددی هستند. به همین دلیل دانش مکانیک سیالات بر اساس سیالات نیوتنی پی ریزی شده و منظور از واژه سیال در علوم مرتبط با مکانیک سیالات(نظیر هیدرولیک، مورفولوژی، توربولانس، احتراق و …)، سیال نیوتنی است. جریان سیالات غیرنیوتنی بر روی سیلندر کاربردهای متنوعی در استخراج نفت و انتقال مشتقات و محصولات نفتی، تزریق مواد پلیمری، جریان زیست سیالات و انتقال مواد در صنایعی نظیر صنایع غذایی، شیمیایی (مانند تولید انواع مواد شوینده، آرایشی، بهداشتی، رنگ، رزین و …)، صنایع نظامی و … دارد. مطالعات در خصوص جریان سیال نیوتنی از حدود ۱۰۰ سال پیش آغاز شد که از جمله معروفترین این تحقیقات می توان به کارهای استروهال، هایمنز و ون کارمن اشاره نمود. کاربردهای جریان سیال نیوتنی در علوم هوانوردی در صنایع گوناگون سبب شده که مطالعاتی گسترده در خصوص این نوع از جریان صورت گیرد. می توان گفت که سهم تحقیقات صورت گرفته بر روی جریان عبوری از سیلندر برای جریان سیالات غیرنیوتنی از جمله سیالات ویسکوالاستیک در مقایسه با سیال نیوتنی بسیار کم می باشد. لازم به ذکر است که به دلیل وجود خاصیت الاستیک و غیر خطی بودن ویسکوزیته نسبت به نرخ برش در سیالات ویسکوالاستیک، مدل سازی جریان سیال ویسکوالاستیک حول سیلندر، خصوصا در رینولدز بالاتر از رینولدز بحرانی بسیار پیچیده است

جریان بر روی سیلندر استوانه ای:

مطالعه جریان بر روی سیلندر استوانه ای، از موضوعات جالب توجه و کاربردی در دینامیک سیالات است و از جمله مسائل بنیادین در این عرصه محسوب می شود. این مسأله هیچگونه محدودیتی در هندسه و شرایط مرزی اعمال شده ندارد. همچنین ساختار و الگوی جریان، به شدت تحت تأثير عدد رینولدز بوده و تنوع تغییرات آن در رژیم های مختلف جریان زیاد می باشد، به طوریکه در جریان خزشی به دلیل شرط عدم لغزش بر روی سیلندر، گردابه هایی بوجود می آیند که با توجه به فرض استوکس، این گردابه ها در جریان پخش شده و قدرت نفوذ و حرکت در جریان را ندارند. در اعداد رینولدز بین ۴ تا ۴۰، دو گردابه متقارن ایستا در پشت سیلندر بوجود می آید که با افزایش عدد رینولدز، اندازه آنها نیز بزرگتر می گردد. رژیم جریان در این محدوده از اعداد رینولدز، کاملا آرام می باشد. با ازدیاد عدد رینولدز (۴۰<Re)، گردابه ها ناپایدار شده، شروع به نوسان می کنند. در این رژیم از جریان، ناحیه برگشتی پشت سیلندر، شامل دو ردیف از گردابه ها می باشد که بصورت متناوب، یکی در بالا و دیگری در پایین سیلندر بوجود می آیند. در به الگوی پیدایش دو ردیف از گردابه ها در ناحیه پشت سیلندر، پدیده ون کارمن اطلاق می گردد.

شکل جریان عبوری از روی سیلندر در رینولدز کمتر از عدد ۴ و رینولدز بین ۴ تا ۴۰

 

شکل جریان عبوری از روی سیلندر در عدد رینولدز بین ۸۰ تا ۲۰۰ .

 

این پدیده اولین بار توسط تئودور ون کارمن دانشمند مجاری الاصل و در سال ۱۹۱۲ کشف شد. در بیان اهمیت این موضوع همین بس که به افتخار او و به منظور به یادگار نگاه داشتن نامش، بر روی تمبرهای پستی آن کشور، تصویری از او قرار داده شد که خطوط گردابه ای جریان در زمینه آن عکس، نشان دهنده اهمیت کار او می باشد.

ون کارمن با بررسی این پدیده دریافت که گردابه هایی که در امتداد دو ردیف تشکیل می شوند، تنها در صورتی پایدارند که اولا جهت چرخش گردابه های یک ردیف در خلاف جهت چرخش گردابه های ردیف دیگر باشد و ثانية، فاصله عمودی گردابه ها به فاصله ی افقی بین آنها،  برابر 0.283 باشد. گردابه های ایجاد شده با سرعتی کمتر از سرعت جریان آزاد در ناحیه ویک جریان حرکت می کنند.

شکل خطوط گردابه ای ون کارمن.

در واقع، هنگامی که عدد رینولدز جریان نیوتنی از حد مشخصی (۴۰<Re) فراتر رود، در اثر کوچکترین شرایط شرایط ناپایداری، نقطه جدایش جریان حول سیلندر دستخوش تغییر شده و همین امر سبب می شود تا گردابه ای متقارن که به شکل دنباله در پشت سیلندر بوجود آمده اند، در آستانه نوسان قرار گیرند (رینولدز بحرانی). درنتیجه این ناپایداری، الگوی متقارن ناحيه جریان برگشتی از بین می رود. در این هنگام توزیع فشار حول جسم دستخوش تغییر شده و سبب میشود که گردابه ها، به صورت متناوب، یکی در بالا و دیگری در پایین محور تقارن جسم بوجود آیند.

این پدیده، نیروهای متناوب عمودی را بر جسم اعمال می کند که سبب مرتعش شدن جسم تحت فرکانس خاصی می شود. حال اگر فرکانس نوسان با فرکانس طبیعی جسم برابر گردد، تشدید یا رزونانس در جسم بوجود می آید. از مثال های معروف در این زمینه می توان به روشهای محافظت از برج های خنک کن نیروگاه ها در برابر جریان باد اشاره نمود. در این سازه ها برای جلوگیری از تشکیل گردابه های تناوبی و پیشگیری از وقوع پدیده رزونانس، پرههایی را بصورت مارپیچ حول آنها قرار می دهند. از دیگر موارد وقوع این پدیده، می توان به ارتعاش کابل های انتقال قدرت، برج هایی با ارتفاع بلند، پایه پل های مستغرق در آب و جریان در مبدل های حرارتی اشاره نمود.

شکل الگوهای جریان عبوری از روی استوانه در رینولدزهای مختلف.

 

تشکیل گردابه:

با عبور جریان از اطراف یک استوانه، یک لایه مرزی اطراف جسم شکل می گیرد. هنگامی که فشار در پایین دست جریان افزایش می یابد، ضخامت لایه مرزی به سرعت زیاد می شود. این گرادیان معکوس و نیروی برشی مرزی باعث کاهش اندازه حرکت در لایه مرزی خواهد شد و اگر هر دو عامل فوق در طول قابل توجهی از مسیر مؤثر باشند، سبب توقف لایه مرزی و جدایش سیال می شود.

اثر جدایش، کاستن از مقدار خالص کاری است که یک جزء سیال می تواند بر سیال احاطه کننده خود با صرف نیروی جنبشی انجام دهد. در هنگام جدایش سیال برخی شرایط و موارد مطرح می باشد:

۱) وجود گرایان فشار مثبت شرط لازم برای جدایش است ولی شرط کافی نیست.

۲) در اثر جدایش، نیروی پسا افزایش می یابد و نیروی برا کاهش می یابد.

۳) جدایش هم در جریان آرام و هم در جریان درهم می تواند رخ دهد.

۴) جدایش تنها برای جریان لزج دارای معنی است.

۵) در نقطه جدایش تنش برشی روی دیواره صفر است.

۶) لایه مرزی درهم به دلیل دارا بودن مومنتوم بیشتر نسبت به جریان آرام، در مقابل شیب فشار معکوس مقاوم تر است. در نتیجه جدایش جریان از سطح در شرایط هندسی و گرادیان فشار یکسان در جریان درهم دیرتر از جریان آرام اتفاق می افتد.

ماهیت های لایه های مرزی آرام – درهم تأثير مهمی بر موقعیت نقطه جدایش دارند در لایه مرزی در هم که انتقال اندازه حرکت بزرگتر است برای ایجاد جدایش باید گرادیان فشار معکوس بیشتر از لایه مرزی آرام باشد. به عنوان مثال رفتار جریان بر روی سیلندر استوانه ای در اعداد رینولدز بسیار کم، جریان بدون آن که از روی استوانه جدا شود و تشکیل گردابه دهد از روی آن عبور می کند. در مقادیر رینولدز پایین جدایش در لایه مرزی آرام اتفاق می افتد و یک جفت گردابه به صورت متقارن در پشت مانع تشکیل می شود. با افزایش عدد رینولدز مطابق شکل زیر رهاشدن متناوب گردابه در پشت مانع به وجود می آید و خیابان گردابه ای ون كارمن(von Karman) در پشت استوانه شکل می گیرد که سبب افزایش فشار منفی در پشت مانع می­شود. در سال های دور مکانیزم رهایی گردابه در ناحیه دنباله پشت اجسام برای اولین بار توسط ون کارمن مورد بررسی قرار گرفته است. در عدد رینولدز زیر بحرانی فرکانس رهایی گردابه ها مستقل از عدد رینولدز است. این فرکانس را با یک عدد بدون بعد به نام عدد استروهال(Strouhal number) نشان می دهند. با افزایش عدد رینولدز لایه مرزی آشفته می شود و جدایش در نقطه ای نزدیک تر روی استوانه اتفاق می افتد پدیده جدایش و ریزش گردابه منجر به تولید نیروهای آیرودینامیکی نامطلوب روی جسم شده که این نیروها، آلودگی صوتی، کاهش سرعت حرکت اجسام متحرک، خستگی و از کار افتادگی جسم و در نتیجه افزایش هزینه تعمیرات و نگه داری و مصرف انرژی را به دنبال دارد.

دانشمندان همواره به دنبال راهکارهایی هستند که بتوانند با کمترین هزینه اثر این نیروهای نامطلوب را کاهش دهند. مطالعه حاضر به یکی از این راهکارها پرداخته است.

شکل خیابان گردابه ای کارمن.

 

رژیم های جریان حول استوانه:

موضوع جريان حول استوانه ها و پدیده ریختن گردابه ناشی از آن به دلیل وجود کاربردهای عملی در مهندسی از اهمیت زیادی برخوردار است؛ از جمله کاربردهای عملی این نوع جریانها، می توان به جریان حول دودکش ها، ساختمانها، سازه های بلند، سازه های دریایی، پلهای معلق، بال هواپیما، پروانه کشتی دکل ها و بسیاری از موارد دیگر اشاره نمود. این نوع جریان اغلب شامل پدیده های پیچیده ای از قبیل جدایش جریان، ویک، جریان های برشی، جریان گردابه ای و ریختن گردابه ها هستند. ماهیت جریان در اطراف استوانه ها به شدت به عدد رینولدز بستگی دارد به طوری که در اعداد رینولدز بسیار کم، سیال حول این گونه اجسام كاملا به آنها چسبیده و جریان پایا است؛ با افزایش عدد رینولدز، سیال از سطح جدا شده و جفت گردابه متقارن در پشت آنها تشکیل می شود که با افزایش عدد رینولدز، ابعاد گردابهها نیز بزرگتر می شود. با افزایش بیشتر عدد رینولدز گردابه ها حالت نوسانی پیدا کرده و در جریان پخش میشوند، در این حالت جریان از حالت پایا به حالت ناپایا تبدیل می شود.

رژیم جریان استوکسی(Re<1)

در این رژیم جدایش جریان وجود ندارد (جریان خزشی) و به همین دلیل درگ فشاری صفر است و تنها درگ اصطکاکی وجود دارد.

شکل رژیم جریان استوکسی.

 

در این حالت جفت گردابه ای در خلاف جهت هم در ناحيه دنباله ایجاد می شوند که همواره به همین شکل در جریان در حال گردش هستند. این گردابه ها، گردابه های آرام هستند و به دلیل تقارن و ثبات آنها، می توان جریان را پایا در نظر گرفت. در این حالت رژیم ناحیه مرزی و همچنین ناحیه دنباله آرام است.

شکل جفت گردابه شکل گرفته در پشت استوانه.

 

در این حالت به دلیل نامتقارن بودن توزیع فشار در پشت استوانه، ناحيه دنباله دچار ناپایداری شده و گردابه هایی از بالا و پایین به صورت پریودیک از مانع جدا شده و به سمت پایین دست می روند؛ به این پدیده خیابان گردابه ای ون کارمن می گویند. در این حالت رژیم ناحیه مرزی آرام و رژیم ناحيه دنباله پریودیک است.

شکل رژیم ناحیه دنباله پریودیک ؛ رژیم ناحیه مرزی آرام.

 

در این حالت رژیم ناحيه دنباله آشفته می شود و رژیم ناحیه مرزی همچنان آرام باقی می ماند.

شکل رژیم ناحیه دنباله آشفته ؛ رژیم ناحیه مرزی آرام.

 

در این حالت رژیم ناحيه دنباله آشفته باقی می ماند ولی رژیم ناحیه مرزی وارد حالت گذار می شود.

شکل رژیم ناحيه دنباله آشفته ؛ رژیم ناحیه مرزی گذار.

 

R>1000000

در این حالت نیز هر دو ناحیه یعنی؛ ناحيه دنباله و ناحیه مرزی در رژیم آشفته قرار می گیرند.

شکل رژیم ناحيه دنباله آشفته ؛ رژیم ناحیه مرزی آشفته.

 

ضرایب پسا و برا:

هنگام عبور جریان از روی اجسام نوک پهن نیروهایی در جهت های قائم و افقی به جسم اعمال می گردد که به ترتیب نیروهای برا و پسا می باشند. در بسیاری از تحلیل های مهندسی به دنبال پیدا کردن این نیروها و بهینه کردن آنها به منظور کسب اهداف خود می باشیم. نیروی پسا از مجموع دو بخش نیروی فشاری و نیروی برشی بوجود می آید. بخش عمده ای از پسا، فشار وارد شده به جسمی است که در سیالی غوطه ور حرکت می کند. به طور دقیق تر زمانی که جریانی از سیال روی جسمی عبور کند، در بخشی از مسیر، مولکول های سیال متراکم تر و در بخشی دیگر رقیق تر هستند. از این رو نیروهای وارد شده به بخش های مختلف یک جسم متفاوت بوده و در نتیجه برآیند کلی نیروهای ناشی از فشار مولکول های هوا نیز متفاوت خواهد بود. همچنین جریان سیال را می توان به شکل لایه هایی از مولکول در نظر گرفت که روی یکدیگر می لغزند. از این رو در هنگام عبور سیال روی جسم، لایه های نزدیک تر به جسم دارای سرعت کمتری هستند، تا جایی که دقیقا روی مرز، سرعت سیال صفر است. این اختلاف سرعت منجر به ایجاد نیرویی اصطکاکی می شود که لایه ها به یکدیگر وارد می کنند. در حقیقت مولفه ای از این نیرو که در راستای جریان است، بخشی از پسا را تشکیل میدهد. بخش دوم نیروی پسا نیرویی است که به خاطر لزجت سیال بوجود می آید که موسوم به نیروی پسا ناشی از برش می باشد. بنابراین در حالت کلی می توان گفت:

نیروی پسا ناشی از فشار + نیروی پسا ناشی از برش = نیروی پسا

نیروی پسا در تحلیل آیرودینامیکی خودروها بسیار تاثیرگذار است، زیرا خودرویی که نیروی پسا کمتری به آن وارد شود، به سوخت کمتری نیاز خواهد داشت. دلیل دوکی شکل بودن خودروهای امروزی همین امر است. نیروی برآ نیز نیرویی است ک باعث به حرکت درآوردن جسم در معرض سيال به سمت بالا یا پایین می گردد. در محاسبه هر کدام از این نیروها ضرایبی در روابط آنها تاثیرگذار میباشد که به ضرایب نیروی پسا و برا شناخته می شوند.

تغییرات ضریب پسا (drag) روی استوانه:

نیروی وارد شده در جهت جریان از طرف یک سیال در حال جریان بر یک جسم پسا نامیده می شود. این نیرو از دو مولفه تشکیل می شود؛ مولفه اول ناشی از تنش برشی دیواره در لایه مرزی یا نیروی مقاوم اصطکاکی است و مولفه دوم به علت اختلاف فشار در جهت جریان یا نیروی مقاوم فشاری است. به برآیند این نیروها در جهت جریان، نیروی پسا (drag) و عمود بر جهت جریان، نیروی برآ (lift) گفته می شود. در حالت کلی محاسبه توزیع تنش و فشار بر جسم دشوار است، لذا برای محاسبه نیروی درگ از روش های تجربی استفاده می شود. ضریب پسا و برآ به صوت زیر تعریف می شوند:

که در آن F_D نیروی پسا و F_L، نیروی برآ و ρ چگالی سیال و U_mean سرعت سیال و A سطح مقطع عبور سیال است.

کنترل جریان:

جدایش جریان سبب ایجاد نیروهای نامطلوب می گردد که همواره به دنبال حذف و یا محدود نمودن آنها می باشیم. به روش هایی که این هدف را انجام می دهد کنترل جریان گفته می شود. اهمیت ضرورت کنترل جریان را می توان در غالب دو اثر اصلی کاهش نوسانات جسم و کاهش نیروی پسای فشاری روی جسم نوک پهن بیان نمود. با توجه به حضور تعامل سیال و سازه در بسیاری از سیستم های مهندسی، کنترل جریان و کاهش گردابه ها امری ضروری و اجتناب ناپذیر است. از کنترل جریان به منظور جلوگیری از جدایش جریان، کاهش ناحيه دنباله جریان، به تعویق انداختن انتقال جریان از حالت آرام به آشفته، افزایش نیروی برق و کاهش نیروی پسا استفاده می شود.

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:

نرم افزار 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 Fluent را تبدیل به یک نرم افزار بسیار قوی و مشهور نموده است. آزمایشات عملی و محاسبات تئوری، دو روش اصلی و مشخص برای پیش بینی میزان انتقال حرارت و چگونگی جریان سیال در کاربردهای مختلف صنعتی و تحقیقاتی می باشند. در اندازه گیری های تجربی به دلیل هزینه های زیاد ترجیح داده می شود که آزمایش ها بر روی مدلی با مقیاس کوچک تر از نسخه اصلی انجام پذیرد. حذف پیچیدگی ها و ساده سازی آزمایش ها، خطای دستگاه های اندازه گیری و بعضی موانع در راه اندازه گیری از جمله مشکلاتی هستند که روش های عملی با آنها روبه رو هستند و کارآیی این حالت ها را در بعضی موارد مورد سوال قرار می دهند. مهمترین امتیاز محاسبات تئوری در مقایسه با آزمایشهای تجربی، هزینه کم آن است. گرچه در بسیاری موارد ترجیح داده می شود با استفاده از روش های محاسباتی، آنالیز جریان و انتقال حرارت صورت گیرد ولی تایید تحلیل های عددی نیاز به مقایسه با نتایج آزمایشگاهی و یا نتایج تایید شده دیگری دارد. در میان محققین، انجام پژوهش های تجربی ارزش بسیاری دارد و اگر بتوان آزمایش مطلوبی انجام داد، تحلیل های زیادی را بر محور آنها میتوان گسترش داد و اطلاعات فراوانی بدست آورد. در هر صورت با دسترسی به دستگاه های محاسبه گر و رایانه های قوی، امروزه در بسیاری از موارد آنالیز دینامیک سیالات و انتقال حرارت با روش های عددی انجام می پذیرد. هر چه پدیده مورد بررسی پیچیدگی بیشتری داشته باشد، روش های عددی اهمیت بیشتری پیدا می کنند. علاوه بر سرعت بیشتر محاسبات عددی، می توان با این روش ها اطلاعات کامل با جزئیات بیشتری از قبیل تغییرات سرعت، فشار، درجه حرارت و غیره را در سراسر حوزه مورد نظر به دست آورد. در مقابل، اغلب اوقات شبیه سازی آزمایشگاهی جهت بدست آوردن این گونه اطلاعات مشكل و مستلزم صرف زمان زیاد بوده و در بعضی شرایط غیر ممکن است. در اکثر مسایل مربوط به مکانیک سیالات، به دلیل پیچیدگی معادلات مربوطه، استفاده از حل تحلیلی امکان پذیر نمی باشد.

فلوئنت یک نرم افزار کامپیوتری چند منظوره برای مدل سازی جریان سیال، انتقال حرارت و واکنش شیمیایی در هندسه نوشته شده است. با توجه به محیط مناسب نرم افزار جهت تعریف مساله و شرایط های پیچیده، تعریف شرایط مرزی گوناگون و حل مسایل پیچیده شامل تأثیر پدیده های مختلف به کمک این نرم افزار قابل حل می باشد. فلوئنت برای آنالیز و حل مسایل طراحی خاص، روش های شبیه سازی کامپیوتری متفاوتی را بکار می برد. برای راحتی کار، تعریف مساله، محاسبه و دیدن نتایج ، منوهای مختلفی در نظر گرفته شده است. وقتی نیاز باشد، Fluent می تواند مدل مورد نظر را از دیگر برنامه های نرم افزارهای تولید مدل که با آنها سازگاری دارد وارد کند. 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 چهارضلعی (برای هندسه های دو بعدی ) و چهاروجهی، شش وجهی، هرمی یا گوهای (برای هندسه های سه بعدی) می باشد. همچنین Fluent به کاربر اجازه دست کاری شبکه (مثلا ریز کردن یا درشت کردن شبکه در مرز و مکان های لازم در هندسه) را می دهد. این بهینه سازی برای حل شبکه، قابلیتی در اختیار کاربر قرار می دهد که نتایج را در نواحی که دارای گرادیانهای بزرگ (مثل لایه مرزی و…) باشند، دقیق تر سازد. این قابلیت ها مدت زمانی را که برای تولید یک شبکه خوب مورد نیاز است را در مقایسه با حل در شبکه های مختلف به صورت قابل ملاحظه ای کاهش می دهد.

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی جریان ناپایا سیال آب عبوری از روی استوانه در نرم افزار انسیس فلوئنت(Ansys Fluent) انجام شده است.

به طور کلی برای شبیه سازی و حل میدان های جریانی سه روش وجود دارد:

۱-روش های تجربی و آزمایشگاهی

۲-روش های تئوری و تحلیلی

3-روش های حل عددی و CFD.

روش های تجربی و آزمایشگاهی بر پایه اندازه گیری های عملی و اغلب براساس قضیه پی باکینگهام بنا شده اند. یعنی با بی بعد سازی معادلات می توان به جای آزمایش کردن یک مدل حقیقی با اندازه بزرگ و شرایط خاص یک نمونه کوچکتر با شرایط مناسب را آزمایش کنیم و سپس با استفاده از قضیه پی باکینگهام نتایج حاصله را به مدل حقیقی و اصلی نسبت داد. از طرفی با کمک این قضیه و بی بعد سازی می توان تعداد آزمایش های لازم برای رسیدن به نتیجه را کاهش دهیم.

روش های تئوری و تحلیلی براساس حل معادلات حاکم در مکانیک سیالات و انتقال حرارت بنا شده اند اما در اغلب موارد فرمول بندی قوانین پایه مکانیک سیالات و انتقال حرارت به صورت معادلات دیفرانسیل پاره ای PDE مرتبه دومی در می آیند که فقط در بعضی از حالت های خاص دارای حل تحلیلی و دقیق هستند چون معادلات حاکم در مکانیک سیالات یک مجموعه معادلات دیفرانسیل پارهای غیر خطی و وابسته را ایجاد می کنند که باید در یک قلمرو ناهموار و با شرایط اولیه و مرزی مختلف حل شوند، بنابراین در بیشتر موارد حل تحلیلی معادلات مکانیک سیالات بسیار محدود است و با اعمال شرایط مرزی این محدودیت ها بیشتر می شوند. روشی که در سال های اخیر برای حل این معادلات شهرت زیادی یافته دینامیک سیالات محاسباتی CFD می باشد که بر پایه محاسبات عددی بنا شده است. روش دینامیک سیالات محاسبات CFD نسبت به روش های تجربی مزایای دارد که در زیر به چند مورد اشاره می شود:

1-کاهش اساسی در زمان و قیمت طراحی های جدید:

اغلب هزینه محاسبات CFD کمتر از هزینه انجام یک آزمایش و ساخت آزمایشگاه مربوطه می باشد از طرفی سرعت انجام محاسبه نیز از سرعت انجام آزمایش بیشتر است.

2-توانایی مطالعه و شبیه سازی مسائلی که انجام آزمایشات روی آنها مشکل و یا غیر ممکن می باشد.

3-توانایی شبیه سازی و مطالعه مسائل در شرایط خاص و بحرانی:

یعنی میتوان با استفاده از تحلیل CFD شرایطی از دستگاه را که رسیدن به آن در شرایط آزمایشگاه غیرممکن است را نیز مورد مطالعه قرار داد.

4-به دست آوردن اطلاعات کامل و دقیق از حل:

در یک مسأله CFD می توان در هر نقطه از جریان تمام کمیت های مورد نظر مثل سرعت، دما، چگالی، انرژی و را محاسبه کرد اما در آزمایش فقط در چند نقطه می توان اطلاعات محدودی را بدست آورد.

5-مکانیک سیالات تجربی تنها می تواند اطلاعات مورد نیاز نقاط خاص جریان را فراهم کند. در هر حال به علت محدودیت های تجهیزاتی مانند اندازه نمونه آزمایش و اندازه تونل باد و همچنین مشکلات ناشی از عدم تشابه کامل یا میدان جریان واقعی، کسب اطلاعات آزمایشگاهی در بیشتر میدانهای جریان غیر عملی است.

برای طراحی، از نرم افزار انسیس دیزاین مدلر(ANSYS Design Modeler) استفاده شده است که جزو رایج ترین و قویترین نرم افزار ها در مبحث مدل سازی در مسائل مرتبط با دینامیک سیالات محاسباتی می باشد. همچنین برای تحلیل، حل مسئله و استخراج نمودارها و کانتورهای مورد نظر نیز از نرم افزار انسیس فلوئنت( ANSYS Fluent ) استفاده شده است. نرم افزار انسیس فلوئنت در گروه نرم افزار های حلگر تجاری معروف قرار دارد و امروزه بسیاری از تحلیل های مسائل مربوط به مباحث سیالاتی توسط این نرم افزار صورت می گیرد.

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.

حلگر:

نوع حلگر مورد استفاده، حلگر مبتنی بر فشار در شرایط گذرا می باشد.

سیال:

سیال مورد استفاده آب می باشد.

وابستگی سرعت-فشار:

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

نمونه نتایج شبیه سازی: