جریان‌ مرز متحرک، مدل شبکه پویا در فلوئنت- بخش۱

مقدمه :

در این فصل روش‌های شبیه‌سازی جریان‌های دارای مرز متحرک معرفی می‌شود.

مدل شبکه پویا (Dynamic Mesh) در مواقعی کاربرد دارد که هندسه حل دچار تغییرات اساسی و به طور خاص تغییر فرم می‌شود.

به طور مثال بادکنکی که در اثر خروج جریان هوا، با گذشت زمان کوچک‌تر می‌شود و یا جریان درون سیلندر و پیستونی که در طی زمان کارکرد موتور، دائماً کاهش و افزایش حجم می‌دهد.

در اینجا توجه به این نکته ضروری است که در تمامی جریان‌هایی که شامل دیواره متحرک هستند، نیاز به استفاده از مدل  شبکه پویا  وجود ندارد.

به طور مثال حرکت یک هواپیما در ارتفاع بالا از زمین می‌تواند بدون استفاده از هیچ‌گونه مدلی و با اعمال شرط مرزی سرعت ورودی، شبیه‌سازی شود.

در اینجا هر چند هواپیما یک جسم متحرک است لیکن فاصله آن از مرزهای جامد مانند سطح زمین، در حدی است که می‌توان دامنه حل را با گذشت زمان، دارای هندسه یکسانی فرض نمود.

در صورتی که دو هواپیما در همان ارتفاع به حدی به هم نزدیک شوند که جریان حول یکی بر جریان حول دیگری اثر گذار باشد، آن‌گاه می‌بایست حرکت نسبی بین دو هواپیما با استفاده از هندسه با مرزهای تغییر شکل‌دهنده و به دنبال آن مدل شبکه پویا مدل‌سازی شود.

شکل ۱- حرکت هواپیما در فاصله دور از زمین

 

شکل ۲- حرکت نسبی سه هواپیمای در حال مانور

 

شکل ۳- جریان سوخت و هوا درون یک سیلندر پیستون

 

نرم افزار FLUENT قادر است علاوه بر مدل‌سازی جریان در هندسه‌های با مرز متحرک ، روابط اضافی دیگری نیز جهت تخمین میزان جابجایی یک مرز اعمال و محاسبه کند.

به طور مثال در مدل شش درجه‌آزادی (Six Degree of Freedom) برای مدل‌سازی حرکت پرتابه‌ای یک جسم درون جو زمین، نرم‌افزار روابط دینامیک حرکت جسم صلب را با در نظر گرفتن جرم و ممان مشخص اعمال می‌کند.

پس از آن، با به حرکت در آمدن جسم، میدان جریان حول جسم محاسبه می‌شود.

با مشخص شدن میدان فشار و سرعت در هر گام زمانی، نیروی جریان بر جسم محاسبه می‌گردد.

این نیرو در معادلات حرکت جسم پرتابی به عنوان نیروی درگ اعمال می‌شود.

در نهایت در هر گام زمانی، میزان جابجایی و تغییرات سرعت جسم محاسبه و شبیه‌سازی به همین ترتیب ادامه می‌یابد.

دو روش کلی جهت معرفی حرکت جسم در نرم افزار وجود دارد.

روش اول با استفاده از پروفیل‌های مرزی (Boundary Profile) و روش دوم با استفاده از توابع تعریف شده توسط کاربر (User Defined Function) است که از این پس با نام اختصاری UDF معرفی می‌گردد.

با استفاده از UDF قادر خواهم بود با قدرت مانور بالایی، مرز با حرکت دلخواه را به نرم افزار معرفی کنیم.

می‌توان هر گونه محاسبات مقدماتی جهت تعیین جابجایی هر نقطه از مرز حل را با استفاده از قابلیت‌های فراوان زبان برنامه‌نویسی Visual C انجام داد.

نمونه هایی از این گونه شبیه‌سازی‌ها در بخش انتهایی این فصل آورده شده ‌است.

به منظور معرفی و مدل‌سازی صحیح حرکت جسم و یا اجسام متحرک، می‌بایست وضعیت کلیه مرزها از نظر متحرک و یا ثابت بودن در نرم‌افزار مشخص شود.

به طور مثال مرزی که به طور کامل توسط مرزهای متحرک احاطه شده است، در نرم‌افزار متحرک فرض می‌شود، مگراین که به عنوان یک مرز ثابت (Stationary) معرفی شود.

 

نویسنده: آقای مهندس احسان سعادتی

برای مشاهده رزومه مدرس کلیک کنید

طراحی و پشتیبانی : آسان پرداز