توضیحات
پروژه شبیه سازی لوله شوک(shock tube) در نرم افزار انسیس فلوئنت(Ansys Fluent)
Simulation of Shock Tube in ANSYS FLUENT Software
لوله شوک(Shock tube):
لوله شوک یکی از تجهیزاتی است که با ایجاد اختلاف فشار بین دو ناحیه پرفشار(درایور) و کم فشار(دریون) و حذف دیافراگم، قابلیت تولید موج شوک با زمان خیز بسیار کوتاه را دارد. فشار ناحیه پرفشار به تعداد، ضخامت و جنس دیافراگم بستگی دارد. با پاره شدن یک دفعه دیافراگم جداکننده دو ناحیه، تولید موج شوک انجام می گیرد. از مهمترین کاربردهای لوله شوک میتوان به کالیبراسیون حسگرهای فشار دینامیکی، بررسی پارامترهای موج شوک، بررسی رفتار انواع سازه ها و همچنین بافت های حیاتی تحت بارگذاری دینامیکی اشاره کرد. لوله شوک به عنوان یک ابزار برای بررسی خصوصیات موج های شوک قائم در جریان های مافوق صوت و ماوراء صوت مورد استفاده قرار می گیرد.یکی از کاربردهای مهم لوله شوک جایگزینی آن به جای یک تونل باد در رژیم های مختلف صوت است. این دستگاه با ترکیدن دیافراگم می تواند یک موج شوک تولید کند که با حرکت و عبور آن از روی مدل و مشاهده آن با ابزارهای مختلف می توان به بررسی موج خواص آن پرداخت.
دینامیک سیالات محاسباتی (CFD):
برای حل یک مسئله می توان از سه روش تحلیلی، آزمایشگاهی و یا عددی استفاده کرد. در روش تحلیلی، حل مسئله متکی بر قضایا و تحلیل های ریاضی می باشد که معمولاً در هندسه ها و شرایط ساده استفاده می شود. محققان در مسائلی که پیچیدگی های بیشتری دارد از روش های آزمایشگاهی و یا عددی استفاده می کنند. حل یک مسئله به روش آزمایشگاهی هزینه های بیشتری نسبت به حل عددی در پی دارد. اما نتایج این روش به عنوان اعتباری برای دیگر روش ها استفاده می شود. در روش عددی صحت داده ها و نتایج آن باید با پژوهشهای مشابه عددی و یا آزمایشگاهی دیگر مقایسه شود و در صورت تطابق داده ها می توان به اعتبار دادههای روش عددی استناد کرد.
تحلیل هر مسئله در مکانیک سیالات بر پایه ای از قوانین اصلی حاکم بر حرکت سیال شروع می شود. این اصول و قوانین عبارت اند از: قانون بقایای جرم، قانون بقای اندازه حرکت و قوانین اول و دوم ترمودینامیک. با استفاده از این قوانین، برای فیزیک مسئله مدلها و معادلات ریاضی به دست آورده می شود که این معادلات از نوع معادلات مشتق جزئی(PDF) می باشند. با استفاده از روش های تئوری و تحلیلی در شرایطی که مسئله از نظر هندسه و دامنه حل پیچیده نباشد میت وان با فرض خطی سازی و سایر فرض های ساده کننده مسئله را حل کرد ولی در شرایطی که مسئله کمی پیچیده تر شود امکان حل به روش تئوری و تحلیلی به دلیل سختی بیش از اندازه وجود ندارد. برای حل این مشکل از روش های CFD استفاده می شود. دینامیک سیالات محاسباتی( CFD) به فرآیند حل یک مسئله با روش عددی برای مسائل مکانیک سیالات گفته می شود که به صورت متداولی بسط و گسترش پیدا کرده اند. اولین گام برای حل مسئله به روش CFD بازکردن معادلات PDE حاکم بر فیزیک جریان با روش های مختلف گسسته سازی است.
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.
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 لوله شوک(shock tube) در نرم افزار انسیس فلوئنت(Ansys Fluent) انجام شده است.
هندسه مسئله:
هندسه مسئله در نرم افزار انسیس دیزاین مدلر(ANSYS Design Modeler) ترسیم شده است.
شبکه محاسباتی:
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. دقت هر شبیه سازی به شدت وابسته به کیفیت شبکه 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 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. اگرچه 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. انسیس 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.
حلگر:
نوع حلگر مورد استفاده، حلگر چگالی مبنا در شرایط ناپایا می باشد.
حل معادلات براي نرم افزار انسیس فلوئنت:
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 هوا می باشد.
نمونه نتایج شبیه سازی:
