توضیحات

پروژه شبیه سازی فرآیند جوشش مایع در لوله S شکل در نرم افزار انسیس فلوئنت(Ansys Fluent)

Simulation of Fluid Boiling through S Shaped- Pipe in Ansys Fluent Software

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.

روش های مدلسازی چند فازی:

پیشرفت مکانیک سیالات محاسباتی راههای دستیابی به بینش بیشتر از دینامیک جریان های چند فازی را تأمین کرده است. در حال حاضر دو روش برای محاسبات عددی جریان های چند فازی وجود دارد: روش اولر – لاگرانژ و روش اولر- اولر.

روش اولر – لاگرانژ: مدل فاز مجزای لاگرانژی در انسیس فلوئنت از روش اولر – لاگرانژ تبعیت می نماید . در این روش فاز سیال با حل معادلات ناویر – استو کس میانگین زمانی به عنوان یک محیط پیوسته در نظر گرفته می شود، در حالی که فاز پراکنده با ردیابی تعداد زیادی از ذرات، حباب ها با قطرات از درون میدان جریان مورد محاسبه، حل می شود. فاز پراکنده می تواند ممنتوم، جرم و انرژی را با فاز سیال مبادله نماید. یک فرض اساسی بکار رفته در این مدل این است که فاز ثانویه پراکنده جزء حجمی کمی را اشتغال می نماید. هر چند که میزان بار جرمی زیاد قابل قبول است، مسیر ذرات یا قطرات به صورت یکی یکی و مجزا در فواصل زمانی مشخص در طی چرخش فاز سیال محاسبه می شود.

این فرض مدل حاضر را برای مدلسازی خشک کن های اسپری، احتراق سوخت مایع یا زغال و برخی جریان های بارشده با ذرات مناسب و اما برای مدلسازی مخلوط های مایع – مایع، بسترهای پر شده و هر کاربردی که در آن جزء حجمی فاز دوم صرفنظر نباشد نامناسب می سازد.

روش اولر – اولر: در روش اولر – اولر فازهای متفاوت از نظر ریاضی به صورت دو محیط پیوسته که متقابلا درهم نفوذ می کنند، در نظر گرفته می شوند . از آنجایی که حجم یک فاز نمی تواند به وسیله فاز دیگری اشغال شود، مفهوم جزء حجمی فازی ایجاد می شود. فرض می شود که این جزء حجمی ها توابع پیوسته ای از زمان و مکان هستند و مجموع آنها برابر یک است. قوانین بقاء برای هر فاز جهت به دست آوردن یک دسته معادله که برای همه فازها ساختار مشابهی دارند. نتیجه گیری شده اند.

این معادلات با استفاده از روابطی اساسی که از دانش تجربی حاصل شده اند یا در مورد جریانهای دانه ای با استفاده از تئوری سینتیک بسته می شوند. در نرم افزار انسیس فلوئنت سه مدل مختلف چند فازی اولر – اولر وجود دارد: مدل حجم سیال ، مدل mixture، مدل Eulerian و مدل فاز مجزا.

مدل VOF:

مدل VOF این مدل یک تکنیک مسیر یابی سطح است که در مورد یک مش بندی اولری ثابت، صادق است. این مدل برای دو یا تعداد بیشتری سیال غیر فعال قابل امتراج که موقعیت فصل مشترک بین سیالات مورد توجه قرار می گیرد، طراحی شده است. در مدل VOF یک دسته معادلات ممنتوم مشترک بین همه سیالات وجود دارد و جزء حجمی هریک از سیالات در هر سلول محاسباتی در سرتاسر دامنه دنبال شده است. کاربردهای مدل VOF شامل جریان های لایه لایه، جریان های با سطح آزاد، پر کردن، هم زدن،  حرکت حباب های بزرگ در یک مایع، حرکت مایع بعد از شکست سد، پیش بینی فروپاشی جت (کشش سطحی) و دنبال کردن انتقالی یا پایدار هر فصل مشترک مایع – گاز.

فرمولاسیون VOF در انسیس فلوئنت عموما برای محاسبه ی حل های وابسته به زمان استفاده شده است، اما برای مسائلی که صرفا در گیر حل پایدار هستند، امکان انجام یک محاسبه پایدار وجود دارد. محاسبات VOF پایدار فقط وقتی که حل مستقل از شرایط اولیه است و مرزهای داخل جریان مشخص برای فازهای مجزا وجود دارد منطقی است. به عنوان مثال از آنجایی که شکل سطح آزاد داخل یک فنجان چرخان به سطح اولیه سیال بستگی دارد، این چنین مسئله ای باید با استفاده از فرمولاسیون وابسته به زمان حل شود. از طرف دیگر، یک جریان آب داخل یک کانال با لایه های از هوا در بالا و یک ورودی هوای مستقل می تواند با استفاده از فرمولاسیون پایدار حل شود.

مدل mixture:

این مدل برای تعداد دو یا بیشتر فاز(سیال یا ذرات) طراحی شده است. مانند مدل Eulerian با فازهایی به صورت محیط های پیوسته که متقابلا در هم نفوذ می کنند، برخورد می شود. مدل mixture معادله ممنتوم مخلوط را حل می کند و سرعتهای نسبی را برای توصیف فازهای پراکنده در نظر می گیرد. مدلmixture  یک مدل چند فازی مختصر شده است که برای مدل جریانهای چند فازی که در آن فازها با سرعتهای متفاوتی حرکت می کنند ولی حالت تعادل محلی را در فاصله مقیاس های طولی فضایی کوتاه به خود می گیرند، مورد استفاده قرار می گیرد. پیوستگی بین فازها باید قوی باشد این مدل همچنین می تواند برای مدل کردن جریان های چند فازی هموژن با اتصال خیلی قوی و حرکت فازها با یک سرعت یکسان به کار رود. مدل mixture می تواند n فاز (سیال یا ذره) را با معادلات انرژی، پیوستگی و مومنتوم برای مخلوط، معادلات جزء حجمی برای فازهای ثانویه و عبارت جبری برای سرعت های نسبی مدل سازی نماید.  کاربردهای معمول مدل mixture شامل رسوب سازی، جدا کننده های سیکلون، جریانهای بار شده با ذرات با بارگیری کم و جریان های حبابی که در آن جزء حجمی گاز کم می ماند، می باشد. مدل mixture یک جانشین خوب برای مدل چند فازی انسیس فلوئنت است.

یک مدل چند فازی کامل وقتی که یک توزیع وسیع از فاز ذره ای وجود دارد، یا وقتی که قوانین بین فازی ناشناخته هستند یا اعتبار آنها زیر سوال است، ممکن است مناسب نباشد. یک مدل ساده تر مثل مدل mixture می تواند به همان خوبی مدل چند فازی کامل عمل کند در حالی که تعداد کمتری متغیر را به نسبت مدل چند فازی کامل حل می کند.

مدل Eulerian:

مدل Eulerian پیچیده ترین مدل چند فازی انسیس فلوئنت است. این مدل امکان مدلسازی فازهای چندگانه مجزا اما با تأثیر متقابل را می دهد. فازها می توانند مایع فاز گاز یا جامد، تقریبا در هر ترکیبی باشند با هریک از فازها با دیدگاه اولری برخورد می شود که با دیدگاه اولر – لاگرانژی بکار رفته در مدل فازهای مجزا، متفاوت است. این مدل یک دسته از n معادله ممنتوم و پیوستگی را برای هر فاز حل می کند. کوپلینگ به وسیله فشار و ضرایب مبادله بین فازی انجام شده است. روشی که این کوپلینگ انجام می شود، بستگی به نوع فازهای درگیر دارد. در مورد جریانهای دانه ای (سیال – جامد) به طرز متفاوتی از جریانهای غیر دانه ای (سیال – سیال) اقدام می شود. برای جریانهای دانه ای، خصوصیات از کاربرد تئوری سینتیک به دست آمده است تبادل مونتوم بین فازها نیز وابسته به نوع مخلوطی است که مدل می شود. توابع تعریف شده توسط کاربر در انسیس فلوئنت به کاربر اجازه می دهد که محاسبات مبادله ممنتوم را به دلخواه خود بسازد. با مدل چند فازی Eulerian تعداد فازهای ثانویه فقط به وسیله حافظه مورد نیاز می تواند مدل شود. با این وجود برای جریانهای چند فازی پیچیده حل مسئله ممکن است به وسیله رفتار همگرایی محدود شود. کاربردهای مدل چند فازی Eulerian شامل ستون های حبابی ، لوله های عمودی گاز یا آب، سوسپانسیونهای ذرات و بستری سیاله است.

در مدل Eulerian حل انسیس فلوئنت بر پایه موارد زیر است:

• یک فشار بین همه فازها مشترک است.
• معادلات پیوستگی و ممنتوم برای هر فاز حل می شوند.
• پارامترهای زیر برای فازهای دانه ای در دسترس هستند: • دمای دانه ای ( انرژی نوسانی جامدات ) می تواند برای هر فاز جامد محاسبه شود. این محاسبه بر پایه یک رابطه تجربی است.
• برش فاز جامد و ویسکوزیته های توده ای از کاربرد تئوری سینتیک برای جریانهای دانه ای به دست آورده می شوند.
• چندین تابع ضریب درگ بین فازهای موجود است که برای انواع مختلف رژیم های چند فازی مناسب هستند ( همچنین امکان اصلاح ضریب دراگ بین فازی از طریق توابع تعریف شده توسط کاربر وجود دارد).

همه انواع مدل های توربولنسی ε-k قابل استفاده هستند و ممکن است که در مورد همه فازها یا برای مخلوط به کار روند.

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی جریان دوفازی جوشش مایع در لوله S شکل در نرم افزار انسیس فلوئنت(Ansys Fluent) انجام شده است.

هندسه مسئله:

هندسه مسئله در نرم افزار انسیس اسپیس کلیم(ANSYS SpaceClaim) 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.انسیس فلوئنت براي حل معادلات فيزيكي، از روش حجم محدود استفاده ميكند. در روش حجم محدود، معادلات فيزيكي به فرم انتگرالي هستند. به طور كلي در اين نرم افزار دو شيوه براي حل معادلات وجود دارد :

حل كننده برپایه فشار (  pressure based)

حل كننده برپایه چگالی(  density based)

هر دو اين حل كننده ها مي توانند گستره وسيعي از جريان ها را به خوبي پوشش دهند. در هر دو شيوه حل كننده، ميدان جريان از حل معادلات مومنتوم حاصل مي شود.  به طور معمول حل كننده   pressure based در جريان هاي غيرقابل تراكم و نسبتا تراكم پذير به كار مي رود در حاليكه حل كننده density based براي جريان هاي قابل تراكم سرعت بالا، طراحي شده است.

سیال:

سیال مورد استفاده آب می باشد.

مدل لزجت:

مدل آشفتگی دو معادله ای k-w SST استفاده شده است.

وابستگی سرعت-فشار:

به منظور ارتباط سرعت-فشار از الگوریتم حل سیمپل(SIMPLE) استفاده شده است.

نمونه نتایج شبیه سازی: