توضیحات
پروژه شبیه سازی جریان هوا حول کره در رینولدز ثابت در نرم افزار انسیس فلوئنت ANSYS FLUENT
جریان آرام:
جریان آرام جریانی است که در آن سال به طریقی منظم و تحت لایه ها و مسیرهای مشخص حرکت می کند، از همین رو برای توصیف آن از عبارت طبقه طبقه شده، برگرفته از کلمه “Laminate” استفاده شده است. در یک جریان آرام، شکل لایه ها مشخص و با انحناهای ملایم می باشند. در چنین جریانی، مولکول های سیال با پیشروی در طول مسیر، در داخل لایه اولیه خود باقی خواهند ماند. همچنین در چنین جریانی، مولکول های نزدیک دیواره، کندترین مولکول ها بوده و نزدیکترین دما به دمای دیواره را خواهند داشت.
جریان آشفته:
همان طور که از نام جریان مشخص است، این جریان رفتاری بسیار اتفاقی و بی سازمان دارد. در این جریان، به واسطه فرایندهای اختلاطی شدید، جزء در نواحی بسیار نزدیک به دیواره، شکل لایه های جریان به راحتی قابل تشخیص نبوده و مولکول های سیال مسیر مشخصی را طی نمی کنند. به عبارت دیگر جریان آشفته نوعی از جریان سیال است که در آن 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 ها و مسیرهای مشخص حرکت می نمایند. در یک جریان آشفته، اندازه ی سرعت در هر نقطه دائما تحت نوسانات و تغییرات، هم اندازه و هم در راستای حرکتی، قرار می گیرد، به طوری که تشخیص موقعیت هر ذره در داخل میدان جریان و نیز در هر لحظه مشکل می باشد. همین وضعیت نوسانات دائمی و غیر مشخص در اندازه سرعت را می توان در اندازه فشار، دما چگالی هر نقطه مشاهده نمود. البته نوسانات اندازه چگالی تنها در جریان های تراکم پذیر و یا جریان های درگیر با انتقال حرارت جابجایی آزاد مشاهده می گردد. جریان آشفته یک رودخانه ی خروشان و یا جریان های متلاطم باد مثال روشنی از دسته جریان های آشفته محسوب می شوند. اگر چه ممکن است اندازه ی سرعت متوسط در این جریان ها پایین باشد. اغلب جریان هایی که در مسائل مهندسی با آنها دست به گریبان هستیم، جریان های آشفته محسوب می شوند، مگر در جریان ها با اعداد رینولدز خیلی کوچک، یا جریان های بسیار نزدیک به لبه ی حمله اجسام و با لایه های بسیار نزدیک به سطوح جامد اجسام و یا سیالاتی که دارای ویسکوزیته ی بسیار بالا باشند. به طور کلی یک جریان آشفته دارای خصوصیات زیر می باشد:
١- بی نظمی مکانی و زمانی
۲- طیف پیوسته مکانی و زمانی
۳- رینولدزهای بالا(معمولا)
4- اضمحلال افزایش یافته ی انرژی و ممنتوم
5- اختلاط افزایش یافته و انتقال حرارت افزایش یافته و ضریب پسای پوسته ای افزایش یافته.
6- سه بعدی بودن(حتی در جریان هایی که ظاهرا دو بعدی می باشند)
۷- حرکات غالب ورتیسیته
۸- تناوبی بودن
مثال های رایج جریان های آشفته عبارتند از:
۱- جریان درون توربوماشین ها (اعم از پمپ ها، کمپرسورها، فن ها، توربین های توربوجت ها و غیره).
۲- جریان درون لوله های انتقال سیال (اعم از جریان های تک فاز و چند فاز)
۳- جریان درون مبدل های حرارتی (بالاخص جریان خارجی بین لوله ها و یا صفحات مبدل)
۴- جریان درون موتورهای احتراقی
۵- جریان بر روی سطوح اجسام متحرک نظیر خودروها یا هواپیماها و یا شناورها
۶- جریان اتمسفر و یا جریان اقیانوس ها
۷- جریان جت اعم از جت گاز به درون یک محیط دیگر و یا اسپری مایعات درون یک محیط.
۸- جریان پشت اجسام متحرک و صدها نمونه دیگر.
خواص جریانات آشفته در مقایسه با جریانات آرام:
برای مقایسه جریانات آرام و آشفته ذکر نکات ذیل لازم می باشد:
۱- یک جریان آشفته، به واسطه ی ادی های موجود در ساختار خود از یک جریان آرام تمیز داده می شود. ادی های موجود در جریانات آشفته، باعث ایجاد نوسان در میدان سرعت، فشار، دما و چگالی و حتى غلظت جریان می شوند.
همین ادی ها باعث ایجاد “Randomness”و نوعی عدم قطعیت در تعیین مقادیر صریح متغیرهای جریانی در توزیع میدان جریان می گردند( اگر چه نوسانات میدان سرعت به خودی خود نیز به نوعی باعث تشکیل ادی می گردند).
چگونگی تشکیل ادی ها (Eddy):
یک جریان آشفته را در نظر بگیرید، به واسطه ی حرکات اتفاقی و نامنظم ذرات در یک جریان آشفته و وجود اغتشاش در جریان(که دارای سرعت مقیاس های مختلف از چند درصد سرعت متوسط تا صد در صد اندازه ی سرعت متوسط می باشد)، گاها در امتداد عمود بر راستای جریان اصلی، یک سری جریان های جانبی رخ می دهد. به واسطه ی این عمل، ممنتوم لایه های نزدیک دیواره (که به واسطه ی ذات اضمحلالی جریان آشفته بخشی از انرژی آنها از دست رفته است) به طور دانمی توسط لایه های پر انرژی بالاتر رفرش می گردد و همین امر باعث می شود که بخشی از ممنتوم از دست رفته ی سیال مجاور دیواره توسط لایه های پر انرژی بالاتر جبران گردد. نتیجه دیگر حرکات اتفاقی و نامنظم جریان در جهت عمود بر جریان، تشکیل ادی می باشد. با در نظر گرفت این اصل که همواره هر ذره ی متحرک سیال تمایل به حفظ ممنتوم خود دارد، وقتی به واسطه ی یک اغتشاش کوچک، ذره ای از سیال داخل لایه ی مرزی بدون وجود پتانسیل لازمه (و تنها تحت اثر ذات ناپایدار جریان از لایه ی با ممنتوم کم به لایه ی با ممنتوم بالا جهش می نماید، برای حفظ و بازگشت ممنتوم نره به مقدار اولیه خود، ذره در موقعیت جدید خود، حرکتی را در مقیاس کوچک ولی در خلاف جهت ممنتوم لایه ی مزبور انجام می دهد تا ممنتوم افزایش یافته مجددا تا حدی به ممنتوم اولیه ی خود کاهش یابد. مجموعه ی این نوع حرکات در کنار تمایل جریان به حفظ قانون پیوستگی، منجر به تشکیل ادی می گردد. همین توصیف در مورد ذراتی که از لایه ی با ممنتوم بالا به لایه ی با ممنتوم پایین منتقل می گردند و در نهایت باعث تشکیل ادی می گردند نیز صحیح می باشد. به بیان دیگر، وقتی بخشی از جریان به صورت جانبی به لایه های پائین تر منتقل می گردد، در همین زمان برای جلوگیری از تجمع ذرات در لایه ی تحتانی و به واسطه ی قانون پیوستگی جرم، حرکت مشابهی در جهت مخالف بایستی رخ دهد تا سیال کندتر را به سمت سیال سریعتر منتقل نماید تا در آن قسمت شتابدهی شود. مجددا برای جلوگیری از تجمع ذرات فقط در دو نقطه لازم است که حرکات مشابهی در راستای جریان اصلی نیز رخ دهد. مجموعه این فرایندهای انتقال ممنتوم منجر به تشکیل ادی ها در جریانات آشفته می شود. مجد، خاطر نشان می کنیم که این اغتشاشات موجود در جریانات آشفته (مثلا اغتشاشات سرعتی)، می توانند دارای اندازه ای از چند صدم اندازه سرعت متوسط جریان تا اندازه ای از مرتبه ی سرعت متوسط جریان یا بیشتر داشته باشد، به عبارت دیگر اثر اغتشاش می تواند از مقادیر کوچک (جهش به لایه های دور با نزدیک با ممنتومی نزدیک به ممنتوم لایه ی موجود) تا مقادیر قابل توجه (جهش به لایه های دور با ممنتومی بسیار بزرگتر یا بسیار کوچکتر از ممنتوم لایه ی موجود) طبقه بندی می گردد. به عبارت دیگر می توان طیف وسیعی از اندازه ی ادی ها را در یک جریان شاهد باشیم. از سوی دیگر، برهمکنش میان ادی ها خود می تواند باعث تحریک و القای اغتشاشات جدیدتر در داخل میدان جریان گردد.
جریان حول کره(flow over sphere):
پچیده ترین پدیده جریان سه بعدی حول کره ایجاد دنباله در پشت کره و تغییرات آن با افزایش عدد رینولدز می باشد و روش های متعددی برای مطالعه جریان سیال حول ذره کروی وجود دارد که می توان به تکنیک مشاهده جریان در آزمایشگاه، محاسبات جریان حول یک ذره کروی و روشهای محاسبات عددی و نیز جریان های دوفازی اشاره کرد. در علوم مهندسی شیمی و مکانیک در زمینه ته نشینی ذرات غیر چسبناک، برخورد ذرات، صنایع غذایی و شیمیایی نیز جریان سیال حول ذرات کروی دوار کاربرد های زیادی دارد. و همچنین در بسیاری از حوزه های مختلف علمی و صنعتی مانند صنایع غذایی و دارویی، آرایشی و بهداشتی به منظور افزایش پایداری (افزایش زمان ماندگاری مثل: امولسیون ها) هوافضا، محفظه احتراق و ورزشی دارای کاربردهای متعددی می باشد. همچنین تحلیل جریان حول کره به عنوان یک مسئله کاربردی در موارد صنعتی، مانند پخش هیدرودینامیکی رسوبات معلق و حرکت اختیاری قطرات و حبابها و بطور کلی ذرات معلق در هوا و سیالات غیر نیوتنی، در علوم محیط زیست کاربرد زیادی دارد.
الگوهای مختلف جریان حول کره:
در وضعیت حقیقی، جریان اطراف کره با عدد رینولدز به شرح زیر تغییر می کند.
1-در اعداد رینولدز خیلی کم، جریان در تمام میدان چرخشی است.
شکل الگوی جریان در اعداد رینولدز خیلی کم R<<1
2- با کمی افزایش رینولدز نیز همچنان بیشتر منطقه جریان چرخشی است.
شکل الگوی جریان در اعداد رینولدز محدوده 1<Re<3
3-با افزایش بیشتر رینولدز در پشت کره، گردابه های ثابت ایجاد می شوند، در فاصله دور از جسم می توان جریان را غیر چرخشی فرض کرد.
شکل تاثیر افزایش رینولدز بر الگوی جریان حول کره در محدوده 3<Re<35
نقطه سکون، طبق تعریف نقطه ای است که در آن سرعت جریان غیر چرخشی، صفر است. بنابراین در موارد فوق نقطه سکون وجود ندارد.
4- با افزایش بیشتر رینولدز پدیده تکثیر گردابه های متناوب مشاهده می شود. به جز در منطقه پشت جسم و در لایه ای نزدیک جدار در بقیه قسمت ها می توان جریان را غیر چرخشی در نظر گرفت.
شکل الگوی جریان حول کره در محدوده رینولدز 35<Re<1250
ه) با افزایش بیشتر رینولدز جدایش ایجاد می گردد. در لایه نازک نزدیک جداره و تمام پشت جسم جریان چرخشی است و بقیه قسمت ها غیر چرخشی است.
شکل الگوی جریان حول کره در جریان آشفته و محدوده رینولدز 1250<Re<2×105
6-با افزایش بیشتر رینولدز ، لایه مرزی نزدیک جدار مغشوش می گردد. به جز در لایه نازکی در جلوی جسم و قسمت کوچکی از پشت جسم، بقیه جریان، شبیه جریان غیر چرخشی است.
شکل الگوی جریان حول کره در جریان کاملا آشفته و محدوده رینولدز Re>5×105
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی جریان حول هوا کره در رینولدز ثابت(Re=100) در نرم افزار انسیس فلوئنت ANSYS FLUENT انجام شده است.
هندسه مسئله:
به منظور ترسیم هندسه مسئله از نرم افزار انسیس دیزاین مدلر(ANSYS Design Modeler) استفاده شده است.
شبکه و مش:
شبکه و مش در نرم افزار انسیس مشینگ(ANSYS Meshing) تولید شده است.
شبیه سازی و حل:
به منظور شبیه سازی از نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT) استفاده شده است.
حلگر:
حلگر مورد استفاده، حلگر فشار مبنا (Pressure based) است.
مدل لزجت:
مدل لزجت استفاده شده در این پروژه، به دلیل رینولدز پایین(Re=100) مدل Laminar می باشد.
وابستگی سرعت-فشار:
الگوریتم Coupled برای حل معادلات وابستگی سرعت-فشار استفاده شده است.
نمونه نتایج شبیه سازی:
