شبیه‌سازی جریان داخلی با استفاده از نرم‌افزارهای ICEM-CFD و CFX_بخش ۱

معرفی مساله:

در این فصل، روش‌‌های تولید هندسه، شبکه و تحلیل جریان در یک مجرای داخلی همراه با مانع آموخته می‌شود. تولید شبکه در این فصل بر پایه روش‌های بدون سازمان خواهد بود، لیکن روش تولید شبکه سازمان یافته نیز بر روی وب‌سایت شرکت به صورت تصویری ارائه شده است. فیزیک مورد تحلیل، شامل جریان داخلی درون یک لوله همراه با یک منطقه واگرا است که درون آن یک مخروط جامد از جنس آجر نسوز قرار گرفته و به میزان ۱ مگاوات بر متر مکعب از درون جامد حرارت به هوا منتقل می‌شود. در ذیل تصویری از دامنه حل و ابعاد هر بخش آمده‌است.

جریان از سمت چپ دامنه حل وارد شده و از سمت راست خارج می‌شود. در تولید شبکه بدون‌سازمان این پروژه، از روش‌های Octree و Dellauny به همراه شبکه منشوری لایه مرزی و توابع تراکم شبکه در منطقه دنباله‌ای پشت جامد استفاده خواهد شد. سیال مورد استفاده در شبیه‌سازی هواست که با سرعت ۱۰ متر بر ثانیه و به صورت یکنواخت وارد دامنه حل می‌شود، بنابراین جریان با رینولدز ۱۳۰۰۰ در منطقه کاملا آشفته قرار گرفته و استفاده از مدل‌های آشفتگی ضروری است.

شکل ۱- نمایی کلی از دامنه حل و ابعاد

 

تولید هندسه:

با توجه به هندسه ساده مساله، تولید آن در نرم‌افزار ICEM-CFD انجام می‌شود. توجه به این نکته ضروری است که نرم‌افزار ICEM-CFD با وجود قدرت بسیار بالا برای تولید شبکه‌های سازما‌ن‌یافته و بدون‌سازمان، قدرت چندانی برای تولید هندسه‌های پیچیده ندارد و در صورت نیاز در پروژه‌های دارای هندسه پیچیده‌تر، توصیه می‌شود از دیگر نرم‌افزارهای خانواده ANSYS مانند Space Claim و یا نرم‌افزارهای تولید هندسه رایج مانند Solid Works و CATIA استفاده شده و هندسه به نرم‌افزار ICEM-CFD وارد شود.

هندسه مورد نظر در این پروژه متشکل از ۲ استوانه و دو مخروط ناقص است. مخروط‌های ناقص در نرم‌افزار ICEM-CFD به عنوان استوانه‌ای در نظر گرفته می‌شوند که دارای شعاع‌های متفاوت در دو طرف‌اند. بنابراین در اینجا، با استفاده از دستور استوانه، کلیه بخش‌های هندسه تولید می‌شوند. پس از بازکردن نرم‌افزار، ابتدا از مسیر File—> Save Project As پروژه‌ای با نام ۰۰۱ در پوشه کاری مورد نظر ذخیره می‌کنیم. ذخیره کردن پروژه می‌تواند پس از تکمیل هندسه و شبکه نیز انجام شود، اما مناسب در مراحل مختلف، پشتیبانی از پروژه تهیه شود.

پس از آن از مسیر نشان‌داده شده، استوانه مربوط به لوله ورودی با شعاع ۱ سانتیمتر تولید می‌شود. قابل ذکر است در حالت کلی، نرم‌افزار ICEM-CFD به صورت پیش‌فرض بر اساس واحد متر کار می‌کند و از طرفی در نرم‌افزارهایی مانند CFX و FLUENT، شبکه فاقد واحد بوده و در زمان ورود ابعاد موجود در شبکه، متر فرض می‌شوند. در اینجا به منظور سادگی کار، ابعاد کاری نرم‌افزار سانتیمتر فرض می‌شود و در زمان استخراج شبکه در انتهای پروژه، با اعمال ضریب ۰۱/۰، فرض مورد نظر اعمال می‌شود. در منوی نشان‌داده شده، مقادیر Radius 1 و Radius 2 تعیین‌کننده شعاع استوانه در دو طرف‌اند که برای لوله ورودی ۱ و ۱ است و مقادیر درج‌شده در بخش Axis نیز نشان‌دهنده نقاط ابتدا و انتهای استوانه‌اند. با تیک زدن گزینه‌های Base1 و Base2، نرم‌افزار صفحات طرفین استوانه را ایجاد می‌کند و با غیرفعال‌ساختن آن، دو طرف استوانه باز می‌ماند.

توجه به این نکته ضروری است که در شرایطی که یک سطح محل ورود، خروج و یا هر مرز دیگر دامنه حل با دنیای بیرون باشد، می‌بایست با ایجاد صفحه‌ای دامنه حل را محدود و امکان معرفی شرط مرزی در آینده را فراهم نمود و در شرایطی که دو بخش از دامنه حل در ارتباط جریانی هستند (سطوح داخلی دامنه حل)، نیازی به ایجاد صفحه نیست. در اینجا سمت اول استوانه ورودی دامنه حل است و می‌بایست با فعال‌سازی گزینه Base1 صفحه آن را ایجاد نمود. از طرفی سمت دوم استوانه با پایین‌دست جریان در ارتباط بوده و نیازی به ایجاد صفحه جداکننده ندارد. نقاط محوری استوانه به صورت زیر در بخش Two Axis Point وارد شده‌اند.

{۰ ۰ ۰} {۵ ۰ ۰}

پس از تکمیل اطلاعات ورودی، با فشردن کلید Apply، استوانه مورد نظر تولید می‌شود.

شکل ۲- تولید استوانه ورودی جریان

 

پس از آن با اعمال مقادیر زیر و فشردن کلید Apply در هر مرحله، مخروط ناقص انتقالی، لوله خروجی و مخروط ناقص داخلی تولید می‌شوند.

Cone Pipe:
Radius1: 1
Radius2:2
Base 1: Unchecked
Base2: Unchecked
Axis Point: {5 0 0} {8 0 0}

End Pipe:
Radius1: 2
Radius2:2
Base 1: Unchecked
Base2: Checked
Axis Point: {8 0 0} {18 0 0}

Internal Cone:
Radius1: 0.5
Radius2:1
Base 1: Checked
Base2: Checked
Axis Point: {5.5 0 0} {7.5 0 0}

در نهایت هندسه تولید شده به شکل زیر خواهد بود.

شکل ۳- نمایی کلی از هندسه نهایی

 

در مرحله بعد می‌بایست بخش‌های سیالی و جامد دامنه حل از یکدیگر تفکیک شوند. بدین منظور همانطور که در آموزش جریان‌ حول استوانه و کره نیز ذکر گردید، از نقاط مادی تحت عنوان Body استفاده می‌شود. در واقع Body نقطه‌ایست که نرم‌افزار با تعیین حجم محصور در سطوح بسته اطراف آن، منطقه پیوسته سیال و یا جامد را تشخیص می‌دهد. این روش، جایگزینی برای تولید حجم به عنوان منطقه پیوسته‌ است. مراحل انجام کار در شکل نشان‌ داده‌شده است. پس از ورود به پنجره و درج نام Fluid، بر روی علامت ماوس کلیک کرده و پس از انتخاب دو نقطه دلخواه مانند شکل، به نحوی که نقطه بینابینی آن‌ها درون بخش سیالی دامنه حل قرار گیرد، کلید وسط ماوس را می‌فشاریم تا نقطه مادی FLUID در نقطه‌ای میانی دو نقطه انتخاب‌شده، ایجاد شود.

شکل ۴- روش تولید نقطه مادی مربوط به منطقه سیالی

در همین پنجره، این‌بار با انتخاب دو نقطه از جامد مشابه شکل و درج نام Solid در بخش Part، منطقه جامد معرفی می‌شود.

شکل ۵- نقاط پیشنهادی برای تولید منطقه جامد

توجه: در مرحله بالا، صورتی که ورودی Part مشاهده نمی‌شود، از طریق تنظیمات زیر از منوهای بالای نرم‌افزار آن را فعال کنید. پس از انتخاب گزینه‌ نشان‌داده شده و فشردن کلید Apply ، با فشردن کلید Dismiss از پنجره تنظیمات خارج می‌شویم. فشردن کیلد OK نیز رفتاری معادل مجموع دو کلید Apply و Dismiss دارد.

Tools—> Geometry Option:

شکل ۶- فعال‌سازی معرفی همزمان مرز در زمان تولید هندسه

 

نویسنده: آقای مهندس احسان سعادتی

 

برای مشاهده ادامه مطلب کلیک کنید

طراحی و پشتیبانی : آسان پرداز