تولیدهندسه، شبکه و شبیه‌سازی جریان، حول استوانه در CFX-بخش ۱

توصیف مساله :

جریان اطراف استوانه در موارد بسیاری در صنایع کابرد دارد. جریان اطراف دودکش‌ها و جریان و انتقال حرارت حول لوله‌های مبدل‌های حرارتی نمونه‌هایی از این کاربردها هستند. علاوه بر آن، در این خصوص، نتایج تجربی بسیاری وجود دارد که با استفاده از آن‌ها، می‌توان، صحت و دقت نتایج شبیه‌سازی را بررسی نمود. جریان حول استوانه در حالت کلی به دو روش می‌تواند شبیه‌سازی شود. در حالتی‌که جریان کاملا عمود بر استوانه باشد و هدف شبیه‌سازی جریان در فواصل دور از ابتدا و انتهای استوانه باشد، جریان به صورت دوبعدی شبیه‌سازی می‌شود. در این‌ حالت هر چند هندسه اصلی سه‌بعدی است، لیکن به دلیل برقراری شرط بی‌نهایت، می‌توان از مدل‌سازی دوبعدی استفاده کرد. این فرض در مورد استوانه‌های دارای نسبت طول به قطر بالا صحیح است. توجه به این نکته ضروری است که حتی در این حالت نیز گردابه‌های جریان آشفته، ماهیتی سه‌بعدی دارند لیکن در مدل‌های نوع RANS مانند k-ε و k-ω، تا حد زیادی، الگوهای سه‌بعدی گردابه‌ها، مگر در مورد گردابه‌های بسیار بزرگ، نادیده گرفته می‌شود. بنابراین شبیه‌سازی سه‌بعدی و دوبعدی در مورد یک استوانه بی‌نهایت از نظر گردابه‌های جریان تفاوت چندانی ندارند. لیکن در مورد فیزیک‌هایی که درآن‌ها جریان به صورت زاویه‌دار به استوانه برخورد می‌کند و یا در مواردی که هدف شبیه‌سازی جریان آشفته با جزییات گردابه‌هاست، به طور مثال در زمان استفاده از مدل LES که در آن بخش قابل توجهی از گردابه‌های جریان آشفته شبیه‌سازی می‌شوند، می‌بایست شبیه‌سازی به صورت سه‌بعدی انجام شود.

در این فصل، هدف آموزش شبیه‌سازی جریان آشفته در اطراف استوانه سه‌بعدی بی‌نهایت و در رینولدز بالا (۶+e1) است. بنابراین می‌توان از هندسه و شبکه دوبعدی برای شبیه‌سازی استفاده نمود. لیکن به منظور آشنایی خوانندگان با روند تولید هندسه و شبکه سه‌بعدی، شبیه‌سازی با استفاده از شبکه سه‌بعدی انجام شده‌ است. همچنین نرم‌افزار CFX، تنها دارای حل‌گر سه‌بعدی است و حتی پس از فراخوانی شبکه‌های دوبعدی، به آن‌ها عمق کوچکی داده و تبدیل به شبکه‌ سه‌بعدی می‌کند. برای تولید هندسه و شبکه، از نرم‌افزار ICEM-CFD استفاده شده‌است. با توجه به هندسه دامنه حل که شامل یک استوانه مانع در مقابل جریان و یک استوانه نیز به عنوان مرز بی‌نهایت است، به آسانی می‌توان با استفاده از نرم‌افزار ICEM-CFD شبکه سازمان‌یافته نوع O تولید کرد. پس از تولید هندسه در نرم‌افزار ICEM-CFD، فایل شبکه با فرمت msh برای نرم‌افزار CFX استخراج می‌شود. در نهایت در نرم‌افزار CFX، با اعمال شرط مرزی تقارن در طرفین هندسه، فیزیک استوانه بی‌نهایت شبیه‌سازی می‌شود. در مورد حضور زمان در شبیه‌سازی، به واسطه حضور گردابه‌های جریان آشفته و همچنین جریان گردابه‌ای پشت جسم، همواره تغییراتی بر روی الگوهای جریان از دیدگاه میکرو و ماکرو وجود دارد، لیکن با استفاده از روش‌های آشفتگی RANS : Reynolds Averaged Navier Stokes، که از معادلات جریان بر روی زمان میانگین‌گیری می‌کنند، شبیه‌سازی به صورت مستقل از زمان انجام می‌شود. در نهایت برای مشاهده و پردازش نتایج خروجی، از نرم‌افزارCFD-Post استفاده شده‌است.

شکل ۱- نمایی از جریان وابسته به زمان حول استوانه سه‌بعدی بی نهایت

تولید هندسه در نرم‌افزار ICEM-CFD

پیش از شروع به کار با نرم‌افزار، به منوی زیر رفته و تنظیمات زیر را انجام می‌دهیم.

Setting—>Selection: Auto Pick: Selected
Setting—>Geometry Option: Name New Geometry: Selected
Setting—>Geometry Option: Inherit part name: Create New: Selected

شکل ۲- تنظیمات پایه نرم‌افزار پیش از شروع به کار

ابتدا در نرم‌افزار ICEM-CFD، هندسه استوانه‌ای سه‌بعدی به قطر ۴/۰ متر و عمق ۱/۰ متر تولید می‌شود . با توجه به این که طرفین دامنه حل در نرم‌افزار، به عنوان شرط تقارن اعمال می‌شود ، عمق استوانه چندان دارای اهمیت نیست و می‌تواند کمتر از این نیز در نظر گرفته شود. در حالت کلی به منظور بهینه بودن حجم محاسبات در شبیه‌سازی‌های سه‌بعدی که نماینده جریانی دوبعدی‌اند، توصیه می‌شود عمق شبکه در حدود ابعاد میانگین المان‌های شبکه دوبعدی صفحه مولد باشد. برای تولید استوانه ابتدا دو نقطه در امتداد محور Z به عنوان محور استوانه تولید می‌شود .

Geometry—>Create Point –>Explicit Coordinates

شکل ۳- کلید تولید نقاط

شکل ۴- منوی تولید نقاط بر اساس مختصات

لیست نقاط
(۰,۰,۰)
(۰,۰,۰٫۱)
نکته: پس از وارد کردن هر یک از مختصات کلید Apply را می‌فشاریم.
نکته۲: در صورتی که با کلیدهای ICEM-CFD آشنایی ندارید، در هر بخش نشانگر ماوس را بر روی هر کلید اندکی نگه‌ دارید تا نام آن نمایش داده شود.

پس از آن استوانه‌ای به شعاع ۲/۰ و بر روی دو نقطه پیشین به عنوان محور، تولید می شود .

Geometry —>Create / Modify Surface—>Standard Shapes—>Cylinder
Radius 1: 0.2 <> Radius 2: 0.2 <> Base 1: unchecked <> Base 2: Unchecked

شکل ۵- نمایی از استوانه مرکزی تولید شده در نرم‌افزار ICEM-CFD

 

نویسنده: آقای مهندس احسان سعادتی

طراحی و پشتیبانی : آسان پرداز