شبیه سازی جریان آشفته در فلوئنت

معادلات حاكم بر جريان سيال يا معادلات ناوير- استوكس كه پيش‌بيني درستي از پديده‌هاي جريان در سيال دارند مستقلاً توسط ناوير و استوكس بدست آمد. البته قبل از بدست  آوردن معادلات مذكور دانشمنداني چون ارشميدس، نيوتن و اويلر در زمينه جريان سيال كار كرده بودند و نتايجي در اين زمينه يافته بودند، ولي كار ناوير و استوكس در يافتن معادلات كامل حاكم بر جريان برجسته و قابل توجه است. معادلات ناوير- استوكس با استفاده از اصل بقاي جرم، قانون دوم نيوتن و اصل بقاي انرژي بدست مي‌آيد و توصيف كاملي از حركت سيالات بدست مي‌دهد. اين معادلات قادر به شبيه‌سازي جريان‌هاي چندفازي، جريان‌هاي توأم با واكنش شيميايي و جريان‌هاي در سرعت‌هاي بسيار بالا مي‌باشد. معادلات مذكور دستگاهي از معادلات ديفرانسيل جزئي غيرخطي مي‌باشند كه كاملاً وابسته به يكديگر بوده و از طبيعت بسيار پيچيده‌اي برخوردارند. طبيعت غيرخطي معادلات، حل معادلات مذكور با روش‌هاي تحليلي را غيرممكن و حل به‌وسيله روش‌هاي عددي را با مشكل مواجه مي‌سازد، به خصوص وقتي با جريان‌هاي آشفته درگير باشيم اين مسئله اهميت بيشتري پيدا مي‌كند. اكثر جريانات واقعي مهندسي آشفته مي‌باشند، لذا حل جريان‌هاي آشفته در مهندسي از اهميت ويژه‌اي برخوردار است. در حالت كلي معادلات ناوير- استوكس سيستم كاملي از معادلات است كه قادر به شبيه‌سازي انواع جريان مي‌باشد، اين معادلات قادر به شبيه‌سازي جريان‌هاي آشفته نيز مي‌باشد ولي براي شبيه‌سازي كامل جريان آشفته نياز به شبكه بسيار ريز مي‌باشد كه اين شبيه‌سازي از حيطه توانايي كامپيوترهاي امروزي خارج است. لذا براي حل جريان‌هاي آشفته مهندسي از روش‌هاي ديگري كمك گرفته مي‌شود كه از جمله آنها مي‌توان به شبيه‌سازي به وسيله معادلات متوسط‌گيري شده رينولدزو يا شبيه‌سازي ادي‌هاي بزرگنام برد. حل عددي معادلات جريان سيال در اعداد رينولدز بالا، كه به طور طبيعي جريان در اين اعداد آشفته نيز مي‌باشد، هنوز يكي از مسائلي است كه محققين و مهندسين را به مبارزه مي‌طلبد و به نظر مي‌رسد اين مسئله براي مدت طولاني نيز محققين و مهندسين را به خود مشغول كند. مهمترين حقيقت حاکم بر جريان‌هاي آشفته اين است که جريان‌هاي مذکور پيچيده‌ترين نوع جريان سيال مي‌باشند. اکثر رژيم‌هاي جريان سيال به طور طبيعي آشفته مي‌باشد جريان‌هاي آشفته داراي يک سري مشخصات ويژه مي‌باشند که آنها را از ديگر جريان‌ها متمايز مي‌کنند. جريان‌هاي آشفته داراي 10 مشخصه اصلي مي‌باشند که به شرح زير است:.

جريان‌هاي آشفته غير دائمي هستند.

جريان‌هاي آشفته سه بعدي هستند.

جريان‌هاي آشفته چرخشي هستند.

جريان‌هاي آشفته يک محيط پيوسته هستند.

جريان‌هاي آشفته يك مثال از سيستم‌هاي غيرخطي است.

جريان‌هاي آشفته داراي رفتار اتفاقي و آشوبناک مي‌باشند.

در جريان‌هاي آشفته طيفي از مقياس‌هاي طولي و زماني وجود دارد.

جريان‌هاي آشفته نفوذي و اضمحلالي هستند.

جريان‌هاي آشفته در اعداد رينولدز بالا اتفاق مي‌افتند

آشفتگي خاصيت جريان است، نه خاصيت سيال.

يك جريان آشفته تمامي مشخصات بالا را دارا مي‌باشد. اگر جرياني وجود داشته باشد كه تمامي شرايط بالا را ارضاء نكند، جريان آشفته محسوب نمي‌شود.آشفتگي در جريان‌هاي آرام  ابتدا در پاسخ به ناپايداري‌هاي سيال در اعداد رينولدز بالا اتفاق مي‌افتد. به عبارت ديگر جريان آشفته به تنهايي نمي‌تواند پايدار باشد بلکه بايد از محيط خود انرژي دريافت کند. يکي از منابع اصلي انرژي جريان آشفته تنش برشي مي‌باشد، منبع ديگر مي‌تواند شناوري باشد. اگر هيچ انرژي به يک جريان که در ابتدا آشفته بوده تأمين نشود جريان به طور اتوماتيك آرام مي‌شود. نرخ نفوذ بالا يکي از ويژگي‌هاي جريان‌هاي آشفته مي‌باشد. در واقع در جريان‌هاي آشفته نرخ انتقال و اختلاط مومنتوم، انرژي جنبشي و ساير کميت‌ها از قبيل حرارت و ساير اسکالرها بسيار بالاتر از جريان‌هاي آرام است. در برسي معادلات ناوير- استوکس حاکم بر جريان مايعات يا گازها که مي‌تواند به خوبي توصيف گر جريان‌هاي آشفته باشد نشان داده مي‌شود که کوچکترين مقياس‌هاي طولي در جريان‌هاي آشفته بسيار بزرگتر از فاصله متوسط آزاد بين مولکول‌ها است و لذا جريان آشفته يک محيط پيوسته مي‌باشد مکانيزم اصلي ايجاد و پايداري آشفتگي اثر متقابل گراديان سرعت و ورتيسيتي است. ورتيسيتي، کرل ميدان سرعت بوده و در واقع فهم جريان آشفته با توجه به معادله انتقال ورتيسيتي صورت مي‌گيرد. همانطور که گفته شد معادلات ناوير- استوکس دستگاهي از معادلات غيرخطي مي‌باشد. حل اين معادلات با روش‌هاي تحليلي در حال حاضر ممکن نيست، بنايراين روش‌هاي عددي براي حل اين معادلات توسعه يافته است. همانطور که گفته شد اکثر جريان‌هايي که مايل به مطالعه آنها هستيم آشفته مي‌باشند. اما حل عددي جريان‌هاي آشفته با مشکلات متعددي روبرو است. مهم‌ترين مشکل در حل مسائل جريان‌هاي آشفته اين است که اين جريان‌ها بسيار به عدد رينولدز وابسته هستند. عدد رينولدز که به صورت نسبت نيروهاي لزجت به نيروهاي اينرسي تعريف مي‌شود، فاکتور مهم در تشخيص آشفته بودن جريان است. همانطور که گفته شد يکي از مشخصات جريان‌هاي آشفته اين است که جريان آشفته در اعداد رينولدز بالا اتفاق مي‌افتد. در واقع جريان‌هاي سيال در يک عدد رينولدز خاص بسته به اغتشاشات خارجي و زبري سطوح جامد، که عدد رينولدز بحراني ناميده مي‌شود، آشفته مي‌شوند. مکانيزم مذکور بسيار پيچيده است و در واقع جريان يک حالت گذرا را طي مي‌کند و پس از آن آشفته مي‌شود. همانطور که گفته شد جريان‌هاي آشفته به عدد رينولدز وابسته مي‌باشند اين به معني اين است که با تغيير عدد رينولدز مشخصه‌هاي جريان تغيير مي‌کنند. در جريان آشفته طيف وسيعي از مقياس‌هاي طولي و زماني وجود دارد، مقياس‌هاي طولي کوچک، داراي انرژي کمتر و مقياس‌هاي طولي بزرگ حاوي انرژي بيشتري هستند. در جريان آشفته مقياس‌هاي کوچک جريان کاملاً وابسته به عدد رينولدز جريان مي‌باشد ولي مقياس‌هاي بزرگتر جريان بيشتر از هندسه جريان متأثر مي‌باشند و ابعاد آنها در حدود مقياس‌هاي هندسه جريان است. در جريان‌هاي آشفته انرژي از ادي‌هاي بزرگ جريان به ادي‌هاي کوچکتر جريان از طريق مکانيزم آبشار انرژي منتقل شده و از طريق مکانيزم اتلاف لزجي به هدر مي‌رود.عدد رينولدز جريان کوچکترين مقياس‌هاي طولي جريان را تعيين مي‌کند لذا براي حل کامل معادلات جريان سيال بايد سايز شبکه مورد استفاده از سايز کوچکترين مقياس جريان کوچکتر باشد. از طرف ديگر از تئوري‌هاي جريان آشفته مي‌دانيم با افزايش عدد رينولدز سايز کوچکترين مقياس‌هاي جريان کاهش مي‌يابد و نياز به ريز کردن شبکه به منظور حل کامل ميدان جريان و گرفتن تمامي مقياس‌هاي جريان افزايش مي‌يابد و قادر به حل کامل جريان سيال به علت محدوديت‌هاي توان محاسباتي کامپيوترهاي امروزي در مسائل عملي پيچيده نيستيم. ، لذا نياز به روش‌هايي مي‌باشد که بتوان با آنها به شبيه‌سازي مؤثر و مفيد جريان آشفته پرداخت. شبيه‌سازي جريان آشفته سيال با استفاده از کامپيوتر يک زمينه نسبتاً جديد در علوم مهندسي است و هنوز راه طولاني براي توسعه و بهبود روش‌هاي حل جريان آشفته دارد. مدل مغشوشي که بتواند براي تمام حالت­ها و مسائل متخلف به کار رود. متأسفانه وجود ندارد و انتخاب مدل مغشوش به ملاحظاتي مانند فيزيک جريان، تجربيات حاصله از شبيه­سازي براي مسائل خاص، ميزان دقت مورد نياز، قدرت منابع محاسباتي (قدرت کامپيوتر) و زمان موجود براي انجام محاسبات، وابسته مي­باشد. البته براي انتخاب يک مدل مغشوش مناسب بايد توانايي­ها و محدوديت­هاي تمام مدل­ها و حالت­ها را بدانيد.در هندسه­هاي پيچيده نمي­توان معادلات ناوير ـ استوکس را به طور کامل حل کرد ولي براي حل معادلات ناوير استوکس به طوري که نوسانات جريان مغشوش به صورت مستقيم در معادلات وارد نشوند به طور کلي دو روش وجود دارد: الف) روش ميانگين­گيري رينولدز (ميانگين­گيري زماني) RANS.  ب) روش شبيه­سازي ادي­هاي بزرگ با استفاده از فيلترينگ  LES.

 

 لینک مطالب مرتبط با فلوئنت
مقدمه ای بر نرم افزار فلوئنت
شبیه سازی جریان در زانویی
نحوه رسم کانتور در فلوئنت
شبیه سازی جوشش با استفاده از فلوئنت
مدلسازی جریان در لایه مرزی با فلوئنت
شبیه سازی جریان و انتقال حرارت پریودیک در فلوئنت
آموزش مدل سازی انبساط ناگهانی سیال  
نحوه استخراج نتایج در CFD post

شبیه سازی جریان آشفته در فلوئنت
آنالیز عددی و تجربی انتقال حرارت جابجایی در مبدل های حرارتی مارپیچ

 

 

انجام پروژه با فلوئنت

دیدگاه خود را بنویسید

دیدگاه پس از تائید مدیریت منتشر می شود.