مقدمه ای بر شرایط مرزی در نرم افزار FLUENT بخش ۲
۷- Porous Zone
کاربرد: به صورت کلی مناطق دارای تخلخل، رفتاری بین سیال و جامد دارند. در نرم‌افزار FLUENT مناطق متخلخل، به عنوان مناطق سیال شناسایی می‌شوند زیرا از این مناطق جریان عبور می‌کند. تاثیرات تخلخل بر روی عبور جریان و انتقال حرارت با استفاده از معادلات متناسب اعمال می‌شود. با فعال‌سازی این گزینه، می‌توان مشخصات تخلخل یک محیط، مانند نسبت جامد به کل و یا ضرایب افت را معرفی نمود.
شکل ۸- پنجره تنظیمات Porous Zone
۸- LES Zone
کاربرد: در شبیه‌سازی جریان‌های آشفته‌ای که به صورت عمومی از مدل‌های RANS استفاده می‌شود، می‌توان با فعال‌سازی این گزینه، از مدل LES بر روی بخشی از دامنه حل استفاده نمود. نمونه‌ای از این وضعیت، فعال‌سازی مدل‌های RANS بر روی مناطق عمومی جریان با رینولدز بالا و بدون حضور گردابه‌های پیچیده سه‌بعدی و فعال‌سازی مدل LES بر روی مناطق دارای رینولدز پایین، گردابه‌های پیچیده و یا جریان‌های واکنشی است.
شکل ۹- پنجره تنظیمات LES Zone
۲- تنظیمات شرایط مرزی
به صورت کلی شرایط مرزی در نرم‌افزار FLUENT در دو گروه قرار می‌گیرند:
مرزهای یک‌طرفه (خارجی)
مرزهای دوطرفه (داخلی)
مرزهای یک‌طرفه و یا خارجی، مرزهایی هستند که تنها در یک سمت آن‌ها دامنه حل قرار گرفته است و سمت دیگر آن‌ها با دامنه حل در ارتباط نیست. ورودی‌ها، خروجی‌ها و دیوارهای یک‌طرفه نمونه‌هایی از این مرزها هستند. در واقع زمانی که یک مرز یک طرفه معرفی می‌شود، به معنای آن نیست که در فیزیک واقعی نیز تنها یک سمت آن با سیال و جریان در ارتباط است. به طور مثال در مورد مرز تقارن، در فیزیک اصلی دو طرف آن سیال و جریان وجود دارد، اما به دلیل متقارن بودن شرایط و الگوهای جریان در طرفین، تنها یک سمت آن به عنوان دامنه حل در نظر گرفته می‌شود . بنابراین دامنه حل تنها در یک سمت مرز تقارن وجود دارد و در نهایت مرز تقارن جز مرزهای یک‌طرفه در نظر گرفته می‌شود. در مورد مرز دیوار نیز بسته به موقعیت قرارگیری، می‌تواند به صورت یک‌طرفه و دو طرفه معرفی شود. به طور مثال زمانی که یک اتاق به تنهایی مورد شبیه‌سازی قرار می‌گیرد، دیوارهای اطراف آن تماماً مرزهای یک طرفه‌اند. در مقابل زمانی که دو اتاق مجاور یکدیگر شبیه‌سازی می‌شوند، دیوار مشترک بین آن دو، مرزی دوطرفه است، زیرا دو طرف آن در شبیه‌سازی دارای شبکه بوده و در محاسبات دامنه حل وارد می‌شوند. در ذیل لیست مرزهای یک‌طرفه و دوطرفه مورد استفاده در نرم‌افزار FLUENT آورده شده‌است.
مرزهای یک طرفه:
• ورودی‌ها:
• Pressure Inlet
• Mass Flow Inlet
• Velocity Inlet
• Intake Fan
• Inlet Vent
• Pressure Far Filed (Common Inlet and Outlet)
• خروجی‌ها:
• Pressure Outlet
• Outlet Vent
• Outflow
• Exhaust Fan
• Pressure Far Filed (Common Inlet and Outlet)
• مرزهای تقارن، دیوار و ارتباطی
• Symmetry
• Axis-Symmetry
• Wall (One Sided)
• Interface
شکل ۱۰- نمایی از مرزهای یک‌طرفه در یک دامنه حل
مرزهای دو طرفه:
• دیوارهای دوطرفه ( Walls and Shadow)
• سطوح داخلی بین سلول‌‌های دامنه حل (Interior)
• فن میانی (Fan)
• رادیاتور (Radiator)
• صفحه متخلخل میانی (Porous Jump)
شکل ۱۱- نمایی از مرزهای دوطرفه در یک دامنه حل (مشخص شده با پیکان)
در ادامه به معرفی مختصری از شرایط مرزی مذکور در بالا، تنظیمات و موارد کاربرد می‌پردازیم.
۱- شرط مرزی ورودی سرعت (Velocity Inlet):
این مرز بیشتر برای جریان‌های تراکم‌ناپذیر ( با اعداد ماخ پایین‌تر از ۱) پیشنهاد می‌شود و استفاده از آن در شبیه‌سازی‌های تراکم‌پذیر، خصوصاً در شرایطی که عدد ماخ جریان در حدود و یا بالاتر از ۱ باشد، می‌تواند منجر به پاسخ‌های نادرست شود. تنها ورودی آن مقدار سرعت است که می‌تواند عمود بر مرز و یا با جهت مشخصی به دامنه حل وارد شود. در مورد ورودی‌های مربوط به آشفتگی در انتهای شرایط مرزی و همچنین در فصل آشفتگی کتاب توضیح داده می‌شود. مقدار دما در نوار مربوط به معادله انرژی می‌بایست به صورت دمای استاتیکی وارد شود.
شکل ۱۲- شرط مرزی ورودی سرعت
۲- شرط مرزی ورودی فشار ( Pressure Inlet)
در شرایطی که در یک شبیه‌سازی، مقدار فشار ورودی مشخص است، می‌توان از این مرز استفاده نمود. موارد استفاده این مرز در شبیه‌سازی‌های تراکم‌پذیر و تراکم‌ناپذیر می‌باشد. در مرز فشار ورودی، به دلایل پایداری حل و همچنین تضمین فیزیکی بودن پاسخ‌ها، نرم‌افزار به صورت پیش‌فرض مقدار فشار و دمای کل را دریافت می‌کند. بنابراین می‌بایست در وارد کردن مقدار فشار کل بر حسب فشار استاتیکی و سرعت و یا عدد ماخ دقت نمود. در شبیه‌سازی جریان داخل کانال‌ها و مسیرهای دارای سرعت، مقدار فشار کل به صورت زیر محاسبه می‌شود:
الف- جریان‌های تراکم‌ناپذیر
ب- جریان‌های تراکم‌پذیر
در مورد شبیه‌سازی جریان درون مسیرهایی که از یک مخزن بی‌نهایت تشکیل شده‌اند، به طور مثال لوله خروجی از بخش زیرین یک سد بی‌نهایت و یا خروجی یک مخزن تحت فشار بسیار بزرگ در مقایسه با ابعاد لوله، می‌توان مقدار فشار کل در ورودی لوله را برابر فشار استاتیکی در دوردستی که فاقد جریان است در نظر گرفت. برای مثال برای لوله خروجی از بخش پایین یک سد، فشار کل در ورودی لوله مورد شبیه‌سازی برابر .g.hρ است. روش اعمال این شرط مرزی بدین صورت است که نرم‌افزار در هر تکرار و یا گام زمانی پس از محاسبه مقدار فشار دینامیکی و کاستن آن از فشار کل تنظیم‌شده، مقدار فشار استاتیکی را محاسبه و به عنوان شرط مرزی اعمال می‌کند. بنابراین همواره با افزایش سرعت ورودی، از میزان فشار استاتیکی کاسته‌شده و بدین ترتیب مقدار فشار کل ثابت می‌ماند. این مساله علاوه بر رعایت فیزیک، موجب افزایش ثبات شبیه‌سازی می‌شود زیرا مقادیر در ورودی همواره محدود باقی می‌مانند و با افزوده شدن به یکی از دیگری کاسته می‌شود.
شکل ۱۳- شرط مرزی ورودی فشار
نویسنده: آقای مهندس احسان سعادتی