توضیحات
پروژه شبیه سازی جریان پیرامون آب شکن ها و موانع در کانال روباز مستطیلی در نرم افزار انسیس فلوئنت
Simulation of Flow about Obstacles in Rectangular Open Channel in ANSYS FLUENT
روش هاي حل یک سازه هیدرولیکي
در مورد استفاده از روش هاي عددي نکاتي را باید مدنظر داشت تا جواب هاي حاصل از این روش ها به واقعیت نزدیک باشند. این روش تنها به عنوان یک ابزار تلقي شده و نه به عنوان پاسخ مستقیم به مسائل و مشکلات و در زمان استفاده از این روش ها باید دقت كافي به عمل آید تا نتایج حاصل از این تحلیل ها قابل اعتماد تر باشد؛ همواره باید روش هاي تحليل عددي را به موازات و همراه روش های دیگر، مخصوصا روشهاي تجربي با مشاهده اي به کار برد. قبل از استفاده از یک یا چند روش تحليل عددي باید شرایط واقعي رفتار سازه و احتمالا نوع گسيختگي هاي احتمالي آن را مشخص کرد، سپس با توجه به طبيعت هر يك از روش هاي عددي، مناسبترین روش را براي تحليل انتخاب نمود.
روش های حل یک سازه هیدرولیکی عبارتست از:
-روش های تجربی ( آزمایشگاهی)
-روش های تئوری و تحلیلی
-استفاده از مدل عددي.
روش های تجربی و آزمایشگاهی بر پایه اندازگیری های علمی و اغلب بر اساس قضیه پی باکینگهام بنا شده اند، یعنی با بی بعد سازی معادلات می توانیم بجای آزمایش یک مدل حقیقی با اندازه بزرگ و شرایط خاص، یا نمونه کوچکتر با شرایط مناسب را آزمایش کنیم و سپس با استفاده از قضیه پی باکینگهام ، نتایج حاصله را به مدل بزرگتر و اصلی نسبت دهیم. از طرفي با کمک این قضیه و بی بعد سازی می توانیم تعداد آزمایشهای لازم برای رسیدن به نتیجه نیز را کاهش دهیم. روش های تئوری و تحلیلی بر اساس حل معادلات حاکم در مکانیک سیالان 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 دوم در می آیند که فقط در بعضی از حالت های خاص دارای حل تحلیلی و دقیق هستند. چون معادلات حاکم در مکانیک سیالاتیک مجموعه معادلات دیفرانسیل پاره ای غیر خطی و وابسته را ایجاد می کنند که باید در یک قلمرو نا هموار و با شرایط اولیه و مرزی مختلف حل شوند. بنابراین در بیشتر موارد حل تحلیلی معادلات مکانیک سیالات بسیار محدود است روشی که در سال های اخیر برای ما این معادلات ، شهرت زیادی یافته دینامیک سیالات محاسباتی(CFD) می باشد که بر پایه محاسبات عددی بنا شده است.
روش های تجربی (آزمایشگاهی):
مزایا:
-اطمینان از مدل سازي كليه پديده هاي فيزيكي
معایب:
-هزینه و زمان بالاي مدلسازي
-اثر مقیاس در مدل
فضاي مورد نياز براي مدل.
روش های تئوری و تحلیلی:
مزایا:
-هزینه پائین در مقایسه با سایر روش ها
-زمان کم مدلسازي
-فضاي كم مورد نیار براي مدل.
معایب:
-مدلسازي دشوار كليه پديده هاي فيزيكي و نیاز به ریاضیات پیشرفته
-انعطاف پذیری بسیار کم
-نیاز به کالبیراسیون.
استفاده از مدل عددي:
مزایا:
-هزینه پائین در مقایسه با مدل فيزيكي
-زمان کمتر در مدلسازي.
-انعطاف پذيري مدل.
-کاهش فضاي مورد نیاز براي مدل.
-توانایی شبی سازی مسائلی که آزمایشات آنها غیر ممکن است مثل دماهای بسیار بالا
معایب:
-عدم امکان مدلسازي كليه پديده هاي فيزيكي.
-نیاز به کالبیراسیون
-نیاز به تجربه براي كنترل و تفسیر نتایج مدل عددی.
عوامل موثر در انتخاب مدل عددي مناسب:
-دقت مورد انتظار (ساده سازي).
-زمان تحلیل (انتخاب ابعاد مدل)
-پیچیدگی مدل (قابلیت مدلسازي آشفتگی جریان، سطح آزاد،…).
نرم افزارهای دینامیک محاسباتي سیالات (CFD) برای شبیه سازی سازه های هیدرولیکی:
از لحاظ ابعاد:
-یک بعدي ( HEC-RAS )
-دو بعدي (Mike21)
-سه بعدي ( Fluent, Flow3D, ANSYS)
از لحاظ روش حل عددي:
-روش تفاضلات متناهي (Finite Difference Method)
-روش حجم محدود (Finite Volume Method)
-روش المان محدود (Finite Element Method)
روش المان مرزي (Boundary Element Method)
روش تفاضلات متناهي (Finite Difference Method) :
در این روش معادلات دیفرانسیل پاره ای در مکانیک سیالات و انتقال حرارت را به همان صورت دیفرانسیلی در نظر می گیریم و با استفاده از بسط های تیلور این معادلات را تقریب می زنیم تا تبدیل به یک سری معادلات جبری به نام معادلات تفاضل محدود شوند که نرم افزار FLOW3D نیز بر مبنای این روش پایه ریزی شده است.
روش المان محدود (Finite Element Method):
در این روش معادلات دیفرانسیل پاره ای در مکانیک سیالات و انتقال حرارت به صورت انتكر الى نوشته می شود و برای تبدیل فرم انتگرالی به فرم جبری از توابع پیوسته چند تکه ای و صاف ( خطی با درجه دوم) برای تقریب کمیت های مجهول استفاده می کنیم.
روش حجم محدود (Finite Volume Method):
در واقع نوعی از روش المان محدود می باشد که روش تقریب این انتگرال ها با روش المان محدود متفاوت است. این روش برای مسائل مکانیک سیالات و انتقال حرارت مناسب است و نرم افزار فلوئنت FLUENT نیز بر مبنای این روش پایه ریزی شده است
روش المان مرزي (Boundary Element Method) :
روش طیفی مجهولات را با استفاده از سری های منقطع فوریه و یا سری های چند جمله ای چبی شف تقریب می زند. بر خلاف روش تفاضل محدود و المان محدود تقریب ها محلی نیستند، اما برای تمام ناحيه محاسبانی معتبر می باشند.
روش های عمومی در حل مسائل سطح آزاد سيال:
-معادلات متوسط گيري شده در عمق (Depth Averaged)
روش نشانه ها و سلول ها (Marker And Cells – MAC )
-روش مرز متحرک (Moving Boundary Method)
-روش حجم سیال (Volume Of Fluid).
دینامیک سیالات محاسباني (CFD)، حل عددی معادلات دیفرانسیل پاره ای مربوط به سیستم هایی نظیر جریان سیال، انتقال حرارت، … می باشد که با استفاده از شبیه سازی کامپیوتری انجام می شود. یکی از قدرتمندترین نرم افزار هایی که برای تحلیل مختلف و با استفاده از روش های دینامیک سیالات محاسباتی و مبتنی بر روش حجم محدود تا کنون ارائه شده، نرم افزار FLUENT می باشد.
مراحل استفاده از نرم افزارهای عددی:
- ورود اطلاعات اولیه (Pre-processing)
- انجام تحلیل(Analyzing)
3-كنترل نتایج و کالبیراسیون مدل(Calibration)
4-تهيه خروجي و نتایج (Post-processing).
شكل مراحل استفاده از نرم افزارهای عددی.
معرفی نرم افزار FLUENT :
نرم افزار فلوئنت برای اولین بار در سال 1985 ارائه شده است. این نرم افزار بر اساس روش های حل دینامیک سیالات محاسباتی CFD طراحی شده است. اساس کارکرد فلوئنت بر روش حجم محدود برنامه ریزی شده است. این نرم افزار صرفا جهت انجام تحلیل و آنالیز بنا شده اس برای ایجاد مش و هندسه مسئله از دیگر نرم افزار های کمکی که به همراه آن ارائه می شوند استفاده می شود. نرم افزار فلوئنت توسط شرکت فلوئنت ارائه شد و ابتدا جهت تولید مش نرم افزار کمکی گمبیت استفاده می شده است؛ سپس در سال 2006 میلادی این نرم افزار با ویرایش 6.2 توسط شرکت انسیس خریداری شد. از آن پس هم شکل گرافیکی محیط نرم افزار تغییر کرد و هم برای تولید مش و هندسه محيط كار چند نرم افزار دیگر همانند ICEM CFD و ANSYS Meshing. معرفی شده است.
مدل های اغتشاش و آشفتگی:
مشخصه اصلی جریان های مغشوش، نوسانی بودن میدان سرعت آن می باشد. این نوسانات سرعت باعث به هم ریخته شدن کمیت های انتقالی مانند مومنتوم و انرژی می شود و در نتیجه این کمیت های انتقالی نیز همانند سرعت به صورت نوسانی در می آیند، چون این نوسانات دارای مقیاس های کوچک و فرکانس های بالا می باشند، لذا شبیه سازی آنها به طور مستقیم و با محاسبات کاربردی مهندسی قابل انجام نیست و در عوض باید از میانگین گیری زمانی در معادلات استفاده نمود و سعی کرد این مقیاس های کوچک را از معادلات حذف کرد تا بتوان معادلات اصلاح شده ای داشته باشیم که هزینه کمتری برای حل داشته باشند. اما برای بیان این نوسانات در این معادلات اصلاح شده نیاز به تعریف متغیرهای جدیدی خواهد بود که البته می توان این متغیرهای جدید را با شیوه ها و روش های مختلفی تعیین و سپس محاسبه نمود که به این روش ها، مدلهای اغتشاش گفته می شود.
الف) مدل k-ε STANDARD
یکی از ساده ترین مدل های اغتشاش مدل استاندارد می باشد که به منزله اقتصادی بودن محاسبات و داشتن دقت قابل قبول در محدوده ای وسیعی از جریان های مخشوش در مدل های مسائل صنعتی و انتقال حرارت به کار میرود. این مدل یک مدل نیمه تجربی است و معادلات آن بر اساس مشاهدات تجربی و ملاحظات پدیده شناسی به وجود آمده اند. برای بهبود ضعف های موجود در مدل استاندارد حالتهای دیگری برای مدل k-ε ارائه شده است.
ب) مدل k-ε RNG
این مدل براساس روش های آماری بدست آمده است که شباهت به مدل استاندارد دارد. اما این مدل دارای قابلیت های دیگری که باعث می شود دقت بهتر و قابل اطمینان تری نسبت به حالت استاندارد داشته باشد. برخی از این قابلیت ها عبارتند از اثرات گردش بر اغتشاش که باعث می شود دقت آن در جریان های گردابه ای بالاتر باشد؛ همچنین به علت دارا بودن ترم های اضافی در حل معادله، در جریان های سریعا کرنش يافته) دقت بالاتری دارد؛ و همچنین بر خلاف مدل استاندارد که فقط برای جریان های با اعداد رینولدز بالا می باشد، در مدل RNG k-ε جریان های با اعداد رینولدز پائین را هم می توان مدل کرد.
ج) مدل k-ε REALIZABLE
این مدل دو فرق اساسی با حالت استاندارد دارد که عبارتند از؛ برای محاسبه ویسکوزیته مغشوش از یک فرمول جدید استفاده می کند؛ و از یک معادله انتقالی جدید که از معادله انتقالی كامل مرجع میانگین نوسانات سرعت، مشتق شده است برای محاسبه نرخ اتلاف ε استفاده می کند. این مدل نیز برای جریانهای که جدایی اتفاق می افتد عملکرد بهتر دارد.
د) مدل k-ω STANDARD
این مدل براساس مدل wilcow پایه ریزی شده است که در آن برای محاسبه ویسکوزیته مغشوش از فرکانس مغشوشيت (ω) به جای نرخ اتلاف (ε) استفاده می شود. برخلاف مدل k-ε که یک مدل رینولدز بالا می باشد، مدل k-ω اثرات اعداد رینولدز پایین، تراکم پذیری و جدایش جریان های برشی را نیز به حساب می آورد.
ه) مدل k-ω SST
این مدل به منظور آمیختن روش k-ω (که در نواحی نزدیک دیواره خوب عمل می کند) با روش k-ε (که در نواحی دور از دیواره خوب عمل می کند) ارائه شده است. با توجه به ترکیب این دو مدل حین انجام محاسبات باعث ناپایداری و نا همگرایی های ضعیفی می شود.
همچنین به علت تغییر مقادیر ثابت این مدل نسبت به مدل استاندارد، مدل SST k-ω برای گروه بزرگی از جریان های مدل دقیق تری است.
الگوریتم فشار- سرعت:
به طور کلی دو روش کلی برای حل معادلات فیزیکی مانند پیوستگی، مومنتوم و انرژی که از روش حجم محدود می باشد، وجود دارد که در روش حجم محدود از معادلات فیزیکی در شکل انتگرالی و در روش اختلاف محدود از شکل دیفرانسیلی استفاده می شود.
این دو روش حل عبارتند از:
-حل کننده فشار مبنا ( Pressure Based )
حل كننده چگالی مبنا( Density Based)
حل کننده فشار مبنا ( Pressure Based) در جریان های غیر قابل تراکم و نسبتا قابل تراکم به کار میرود و حل كننده چگالی مبنا( Density Based) برای جریان های قابل تراکم با سرعت بالا طراحی شده است. باتوجه به اینکه جریان برای این پروژه غیرقابل تراکم و با سرعت پائین می باشد حل كننده Pressure Based انتخاب می شود. فقط برای حل كننده Pressure Base لازم است تا روش ارتباطی بین سرعت – فشار مشخص شود. برای بیان روابط حاكم بين فشار و سرعت چهار نوع الگوریتم SIMPLE ،SIMPLEC و PISO و COUPLEDوجود دارد که دو روش اول برای جریان های دائم و دو روش آخر برای جریان های غیر دائم و وابسته به زمان طراحی شده و مناسب می باشند.
موج شکن ها:
بررسی اثر برخورد امواج با اجسام مختلف و تحليل الگوی جریان قبل و بعد از مانع، از گذشته های دور، از اهمیت بسیار زیادی برخوردار بوده است. اهمیت این موضوع در زمینه های عمرانی نظیر طراحی سازه های ساحلی و ساخت موج شکن ها و در بحث گرفتن انرژی از امواج به وضوح قابل مشاهده است. اجسام مورد بررسی یا به صورت مغروق و یا بیرون از آب هستند. در سال های اخیر موج شکن های مغروق به دلیل عدم تغيير در شکل محیط های ساحلی اهمیت بسیار زیادی پیدا کرده اند. انتخاب هندسه مناسب برای این موج شکن ها مستلزم تحليل و بررسی الگوی جریان حاصل از برخورد موج با این موانع و مقدار نرخ انرژی استهلاک شده از موج در طی عبور از روی این سازه ها است. علاوه بر این پارامترهای زیاد دیگری نظیر عمق آب، شیب کف و زبری سطح هم می تواند بر روی الگوی جریان موج تأثیر گذار باشد. هر گونه تغییر در شیب بستر کف، سرعت موج و یا عمق آب باعث تغییر شکل موج و حتی شکست موج می شود. استفاده از چنین سازه های مغروقی تأثیر بسیار زیادی در زمان شکست موج و نوع شکست موج دارد. در بررسی این پدیده هم از امواج پیوسته سینوسی و هم از تک موج ها استفاده می شود و از آنجایی که تک موج ها نمایانگر امواج خروشان ناگهانی و سونامی ها هستند، بیشتر مورد توجه قرار می گیرند. بسیاری از مسائل دینامیک سیالات با استفاده از مدل های فیزیکی قابل حل هستند. در این بین یکی از پارامترهای محیطی که نمی توان نقش آن را در طراحی و ساخت سازه های دریایی نادیده گرفت، موج است. امواج حاصل عمل و عکس العمل بین یک نیروی ایجاد کننده اغتشاش در یک محیط و اثر نیروی باز گرداننده به حالت اولیه در آن محیط است. اگر قرار باشد به چگونگی تشکیل امواج در آب پرداخته شود، ابتدا بایستی این نیروهای متقابل شناسایی شوند. عوامل ایجاد اغتشاش در آب دو دسته هستند:
- عوامل اغتشاش سطحی که شامل وزش باد و حرکت کشتی ها هستند.
٢. عوامل اغتشاش از کف آب که شامل زلزله، آتشفشان و لغزش های کف هستند.
در امواج دریا نیروی مقابله کننده و به نوعی بازگرداننده به حالت اولیه هم جاذبه زمین است. در اثر تغییراتی نظیر سرعت آب، شیب کف و عوامل دیگر پدیده شکست أمواج به وجود می آیند. شکست أمواج یکی از پدیده های معمول امواج دریاها و اقیانوس ها در سواحل دریایی است که شرایط شکنندگی به طبیعت بستر دریا و خصوصیات موج بستگی دارد. این فرآیند از دیدگاه ایجاد سازه های ساحلی، توسعه صنایع ساحلی، طبیعت گردی، گرفتن انرژی از امواج و بهره برداری درست از سواحل بسیار با اهمیت و ضروری است.
جهت تحلیل یک موج اولین گام به دست آوردن نحوه حرکت و پروفیل سرعت آن است که یا از طریق اندازه گیری های آزمایشگاهی و یا از طریق شبیه سازی های عددی به دست می آید. برای تحليل أمواج در ابعاد زمایشگاهی معمولا از تونل و یا کانال باز آب استفاده می شود که با تغییراتی در آنها می توان به شرایطی مشابه با شرایط واقعی سواحل دریا و مکان های مورد نظر رسید.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی جریان پیرامون موانع در کانال روباز مستطیلی در نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT) انجام شده است.
هندسه مسئله:
هندسه مسئله در نرم افزار ANSYS Design Modeler ترسیم شده است.
مش بندی:
شبکه و مش در نرم افزار ANSYS Meshing تولید شده است.
شبیه سازی:
شبیه سازی و حل مسئله در نرم افزار فلوئنت(FLUENT) انجام شده است.
به منظور حل از حلگر فشار مبنا (Pressure based) استفاده شده است. همچنین اثرات شرایط گذرا (Transient) و گرانش(Gravity) در حل مسئله درنظرگرفته شده است.
مدل VOF:
در این پروژه مدل حجم سیال VOF برای جریان سطح آزاد در کانال مستطیلی روباز استفاده شده است. این مدل برای حالتی از جریان سیالات که دوسیال، مخلوط نشدنی و سطح تماس آنها مهم باشد طراحی شده است. در جریان های سطح آزاد، جریان های چندلایه، حرکت حباب بزرگ دریک سیال و جریان بعد از شکست سد از این مدل استفاده می شود.
برای ارتباط فشار-سرعت از الگوریتم Coupled استفاده شده است.
برای حل معادلات فشار از روش PRESTO و معادلات مومنتوم و انرژی از طرح بالادست مرتبه دوم(Second Order Upwind) استفاده شده است.
نمونه نتایج شبیه سازی:
