شبیه‌سازی جریان اطراف یک کره در FLUENT و ICEM-CFD- بخش۱

معرفی مساله:

هدف از این بخش شبیه‌سازی جریان هوا در اطراف یک کره با عدد رینولدز ۱e6 است.

نرم‌افزار FLUENT برخلاف نرم‌افزار مشابه آن CFX ، دارای حل‌کننده اختصاصی جریان‌های دو بعدی و متقارن‌محوری است، بنابراین می‌توان با استفاده از آن، جریان اطراف کره را با استفاده از هندسه و شبکه‌ای دو بعدی شبیه‌سازی نمود.

توجه به این نکته ضروری است که لازمه در نظر گرفتن فیزیک‌های سه‌بعدی مانند جریان اطراف کره، به صورت متقارن محوری ، عدم وجود ناپایداری و یا گردابه‌هایی است که الگوی جریان را از متقارن محوری به سه‌بعدی کامل تغییر می‌دهند.

شکل۱- جریان در اطراف یک کره متحرک در آب

 

 

هدف نهایی از این شبیه‌سازی محاسبه ضریب درگ وارد بر کره، در مقابل جریان هوا با دمای °C25 و عدد رینولندر ۶e1 و مقایسه نتایج شبیه‌سازی با داده‌های تجربی است.

در این جا سرعت جریان ۴۰m/s در نظر گرفته شده‌است. عدد رینولدز با استفاده از رابطه زیر محاسبه می‌شود.

 

که در آن داریم:

 

 

 

 

 

که از آن قطر کره بدست می‌آید:

 

و از آن جا شعاع کره مورد نظر بدست می‌آید:

 

 

در جریان‌های خارجی با فرض محیط پیرامون بی‌نهایت، فاصله مرز می‌بایست به طور معمول، بین ۱۵ الی ۲۰ برابر طول مشخصه باشد.

طول مشخصه برای یک کره، برابر با قطر آن است.

فضای بی‌نهایت می‌تواند به شکل‌های مختلف مانند حروف C ، D و O باشد.

در مدل C، فاصله دامنه حل در پایین‌دست جسم بیشتر از جهات دیگر است و هدف از آن کاهش بهینه حجم شبکه و درعین حال توانایی نشان‌دادن گردابه‌ها و گرادیان سرعت پشت جسم است.

لیکن در این‌جا با توجه به درنظر گرفتن هندسه دو بعدی، حجم شبکه چندان دارای اهمیت نیست، بنابراین از شبکه نوع O استفاده شده‌است.

علاوه بر آن کیفیت شبکه اطراف یک کره با استفاده از شبکه نوع O در بالاترین سطح از نظر  تعامد ( Orthogonality) قرار دارد که می‌تواند تا حدودی موجب بهبود نتایج شبیه‌سازی گردد.

در نهایت شعاع کره بی‌نهایت به صورت ذیل محاسبه می‌گردد.

 

 

تولید هندسه در نرم افزار ICEM-CED

جهت تصور بهتر از هندسه‌ای که در این مرحله تولید می‌شود، ابتدا دو کره هم مرکز در نظر بگیرید.

سپس مولدی دو بعدی در نظر بگیرید که از دوران آن حول محور دوران ، دوکره هم مرکز تولید شود.

در اینجا هدف تولید هندسه و شبکه بر روی مولد دوبعدی است.

پس از آن، در نرم‌افزار FLUENT، با استفاده از حل‌گر اختصاصی Axis-symmetric جریان سه‌بعدی حول کره مدل‌سازی می‌شود.

شکل۲- نمایی از هندسه سه‌بعدی فیزیک جریان (سمت راست) و نماینده دوبعدی آن در شبیه‌سازی (سمت چپ)

 

 

نویسنده: آقای مهندس احسان سعادتی

 

 

طراحی و پشتیبانی : آسان پرداز