توضیحات
پروژه شبیه سازی سه بعدی آیرودینامیکی یک بال(wing) در جریان گذر صوتی تراکم پذیر در نرم افزار انسیس فلوئنت(Ansys Fluent)
Simulation of Transonic Flow over Wing in Ansys Fluent Software
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 سه بعدی آیرودینامیکی یک بال(wing) در جریان گذر صوتی(transonic) در نرم افزار انسیس فلوئنت(Ansys Fluent) انجام شده است.
هندسه مسئله:
هندسه مسئله در نرم افزار انسیس Ansys SpaceClaim ترسیم شده است.
شبکه و مش بندی:
برحسب هندسه مسئله، می توان از شبکه بندی های گوناگونی استفاده کرد. یکی از مسائل مهم در روش های عددی، ایجاد شبکه مناسب است. عدم انتخاب صحیح شبکه منجر به نتایج نامطلوبی شده و در بعضی موارد موجب ناپایداری و یا محدودشدن همگرایی حل عددی می شود. از دو روش جبری و حل معادلات دیفرانسیل جزئی، در تولید شبکه با سازمان استفاده می شود. روش جبری ساده ترین روش است. بزرگترین حسن این روش، سرعت تولید شبکه است. همچنین کنترل فواصل شبکه در نقاط لازم توسط این روش ساده تر است، اما هموار نمودن شبکه و عدم اعوجاج این نوع شبکه بندی در هندسه های پیچیده دشوار است. در روش حل معادلات دیفرانسیل، برای محاسبه نقاط، یک دستگاه معادلات دیفرانسیل جزئی حل می شود. همواری شبکه در این روش بهتر از روش جبری است و برای هندسه های پیچیده کارایی بیشتری دارد. معمولاً برای تحلیل جریان اطراف ایرفویل ها از شبکه های مختلفی از نوع C، O و یا H استفاده می شود. در این پروژه از نرم افزار انسیس مشینگ(Fluent Meshing) به منظور شبکه بندی هندسه استفاده شده است. در این پروژه یک شبکه از نوع C برای مدل کردن جریان اطراف بال(wing) به کار برده شده است.
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 Ansys Fluent را تبدیل به یک نرم افزار بسیار قوی و مشهور نموده است.
روش حل عددی:
به جهت استفاده از روش عددی نیازمند آن می باشد که میدان جریان محاسباتی را با استفاده از شبکه بندی، گسسته سازی نموده و به جهت شبیه سازی میدان جریان دامنه محاسباتی را با المان های کوچک تقسیم بندی کرده تا معادلات حاکم بر مسئله بر روی آنها حل شود. شبکه بندی به طور کلی با دو روش شبکه بندی با سازمان و شبکه بندی بی سازمان استفاده می شود، الگوهای اساسی روش حل عددی عبارت اند از:
۱. روش تفاضل محدود.
۲. روش المان محدود
٣. روش حجم محدود
۴. روش طیفی.
در نرم افزار انسیس فلوئنت حل معادلات فیزیکی(پیوستگی، مومنتوم، انرژی و…) از روش حجم محدود استفاده می شود. در این روش از معادلات فیزیکی در شکل انتگرالی استفاده می گردد. در روش حجم محدود می توان میدان جریان و هندسه های پیچیده را به دلیل آنکه معادلات انتگرالی مستقیما در قلمروی فیزیکی به کار می روند استفاده نمود. در این روش می توان از شبکه با سازمان و بی سازمان استفاده نمود. در روش حجم محدود میدان جریان و هندسه به وسیله شبکه بندی انجام شده به تعداد محدودی حجم کنترل تقسیم بندی می شود؛ بنابراین شبکه بندی مدل موجب می گردد مرز حجم های کنترل مشخص شوند، در نتیجه محل برخورد صفحات در مرزهای حجم کنترل موجب ایجاد گره های مرزی می گردد و محاسبات در مرکز این حجم کنترل صورت می گیرد.
حلگر:
از حلگر فشار مبنا (pressure based) در شرایط پایا استفاده شده است.
مدل لزجت:
در این پروژه مدل آشفتگی دومعادله ای k-w SST استفاده شده است.
مدل های آشفتگی دو معادله ای:
ساده ترین و کامل ترین مدل های آشفتگی مدل های دو معادله ای هستند. در این روش از حل دو معادله انتقال جداگانه برای تعیین مستقل طول مقیاس آشفتگی و سرعت مقیاس آشفتگی استفاده می شود. مهمترین اختلاف این مدل با سایر ادی ویسکوزیتی در آن است که مدل های دو معادله ای را می توان بدون آگاهی قبلی از ساختار و هندسه جریان، برای پیش بینی خواص جریان آشفته استفاده نمود. اولین مدل دو معادله ای را کولوموگروف ارائه کرد. در آن سرعت اضمحلال انرژی در واحد حجم و زمان به عنوان پارامتر دوم برای بیان ویسکوزیته گردابه ها ارائه شد. وی همچنین یک معادله اضافی برای بیان آن معرفی کرد. بعد از آن بسیاری از محققین کارشان را بر روی مدلهای دو معادله ای به عنوان مدل پایه ای که می تواند برای بررسی انواع مختلف جریان مورد استفاده قرار گیرد، گسترش دادند. نقطه آغازین تمام مدل های دو معادله ای استفاده از تقریب بوزینسک و معادله انتقال انرژی جنبشی می باشد. انتخاب متغیر دوم دلخواه بوده و تا به امروز پیشنهادات زیادی برای آن شده است.
سیال:
سیال مورد استفاده هوا می باشد
وابستگی سرعت-فشار:
به منظور ارتباط سرعت-فشار از الگوریتم حل کوپل(Coupled) استفاده شده است.
نمونه نتایج شبیه سازی:
