مقدمه ای بر شرایط مرزی در نرم افزار FLUENT بخش ۳

۳- شرط مرزی ورودی دبی جرمی ( Mass Flow Inlet)

این مرز بیشتر برای جریان‌های تراکم‌پذیر طراحی شده‌است، اگرچه برای شبیه‌سازی‌ جریان‌های تراکم‌ناپذیر نیز قابل استفاده است. مقدار دبی جرمی مطابق مقدار مورد نظر در فیزیک واقعی تنظیم می‌شود. در این مرز مقدار فشار کل به نحوی تنظیم می‌شود که دبی مورد نظر تنظیم شده در منوی ورودی ارضا شود. مقدار Supersonic/Initial Pressure نیز در دو مورد کاربرد دارد. اول در شرایطی که جریان به صورت موضعی ما‌فوق‌صوت شود. در این حالت مقدار تنظیم‌شده، به عنوان مقدار فشار استاتیکی در شبیه‌سازی در نظر گرفته می‌شود و در صورتی که جریان فرو‌صوت باشد، مقدار آن نادیده گرفته شده و نیازی به تنظیم آن نیست. مورد دوم استفاده از این مقدار در شرایطی است که مقداردهی اولیه دامنه حل (Initialization) از روی مرز مذکور انجام و مقدار فشار تنظیم شده به عنوان حدس اولیه فشار استاتیکی بر روی کل دامنه حل در نظر گرفته می‌شود. در سایر موارد این ورودی مورد استفاده قرار نمی‌گیرد و بنابراین تنظیم آن دارای اهمیت نیست. در اینجا نیز مشابه مرز ورودی سرعت، امکان ورود و خروج جریان به و از دامنه حل با زاویه و چرخش دلخواه وجود دارد. این مرز نسبت به مرز فشار ورودی، دارای همگرایی ضعیف‌تری است.

شکل ۱۴- شرط مرزی ورودی دبی جرمی

۴- شرط مرزی فشار خروجی (Pressure Outlet)

این مرز برای شبیه‌سازی جریان‌های تراکم‌پذیر و تراکم‌ناپذیر کاربرد دارد. مقدار فشار نسبی تنظیم‌شده، فشار استاتیکی محیطی است که جریان به آن تخلیه می‌شود. در جریان‌های تراکم‌ ناپذیر که مقدار سرعت ورودی تنظیم شده است و هدف محاسبه میدان‌های سرعت و اختلاف فشار است، مقدار تنظیم شده برای فشار خروجی اهمیتی ندارد و می‌توان مقدار آن را به دلخواه تنظیم نمود. در واقع در جریان‌های تراکم‌ناپذیر، ترم فشار در معادلات مومنتوم به صورت اختلاف فشار دیده می‌شود و از طرفی با مشخص بودن مقادیر دبی عبوری از یک دامنه حل و خواص سیال، مقدار افت فشار نیز مشخص است و مقدار فشار خروجی اهمیت چندانی ندارد.

در این شرایط، مقدار افت فشارِ دامنه حل، از شبیه‌سازی ثابت است و با تغییر مقدار فشار خروجی، کل مقادیر فشار در دامنه حل به صورت یکنواخت جابجا (شیفت) می‌شود. در کنار آن موارد استثنایی نیز وجود دارد و آن شرایطی است که خواص سیال تابعی از فشار باشد مانند معادله حالت گاز ایده‌آل و همچنین فرآیندها و واکنش‌های وابسته به فشار مانند کاویتاسیون که در آن مقادیر فشار نیز به تنهایی دارای اهمیت‌اند و می‌بایست مقادیر فشار خروجی به دقت تنظیم شوند. در مورد جریان‌های تراکم‌پذیر اما، شرایط متفاوت است و دانسیته به صورت مستقیم تابعی از فشار است، بنابراین تنظیم مقدار فشار خروجی از اهمیت بالایی برخوردار است. توجه به این نکته ضروری است که نرم‌افزار در شرایطی که جریان خروجی به صورت موضعی ما‌فوق‌صوت باشد، مقدار فشار تنظیم شده را نادیده می‌گیرد و مقادیر فشار از بالادست برون‌یابی می‌شوند.

با استفاده از این مرز و تنظیم دبی خروجی در گزینه Target Mass Flow Rate، نرم‌افزار به صورت خودکار مقدار فشار خروجی را تا حدی جابجا می‌کند که دبی مورد نظر تنظیم شود. بنابراین در این شرایط، فشار تنظیم شده تنها یک حدس اولیه در ابتدای شبیه‌سازی است و مقدار واقعی فشار در فرآیند حل تنظیم می‌شود. توجه به این نکته ضروری است که در شرایطی که دبی و یا سرعت ورودی تنظیم شده است، استفاده از این گزینه ممکن است منجر به ایجاد تناقض در دبی سیستم ، عدم همگرایی معادلات پیوستگی و یا ارائه جواب‌های غیر فیزیکی شود.
گزینه Radial Equilibrium Pressure Distribution برای شبیه‌سازی‌های توربوماشینری کاربرد دارد و تنها برای شبیه‌سازی‌های سه‌بعدی و متقارن محوری همراه با چرخش، مورد استفاده قرار می‌گیرد . در این شرایط مقدار فشار تنظیم شده توسط کاربر بر روی نقطه‌ای با شعاع صفر در نظر گرفته می‌شود و با فرض سرعت شعاعی صفر و اعمال معادله زیر، مقدار فشار برای سایر شعاع‌ها نسبت به محور چرخش اعمال می‌شود. این گزینه برای شبیه‌سازی‌های توربوماشینری بدون دوران اجزا مانند جریان درون پره‌های ورودی یک کمپرسور نیز کاربرد دارد و به دقت شبیه‌سازی می‌افزاید.

با به‌کارگیری گزینه Average Pressure Specification، نرم‌افزار با استفاده از یک رابطه تصحیح‌شونده نسبت به تکرارهای حل، مقدار فشار مورد استفاده در محاسبات را به نوعی، میانگین مقدار فشار تنظیم‌شده توسط کاربر و برون‌یابی فشار از سلول‌های مجاور مرز در نظر می‌گیرد. این روش به صورت کلی می‌بایست در جریان‌های فرو‌صوت مورد استفاده قرار گیرد و توسط نرم‌افزار در جریان‌های مافوق‌صوت نادیده گرفته می‌شود.
در شرایطی که بر روی مرز خروجی جریان بازگشتی رخ می‌دهد، جهت جریان بازگشتی را می‌توان با استفاده از گزینه Backflow Direction Specification عمود بر مرز ، در راستای دلخواه و یا منطبق بر برونیابی از درون دامنه حل قرار داد که گزینه آخر می‌تواند دقت مناسب‌تری داشته باشد.

شکل ۱۵- شرط مرزی فشار خروجی

۵- شرط مرزی جریان خروجی (Outflow)

در این مرز کلیه مقادیر و از جمله فشار در خروجی دامنه حل برون‌یابی می‌شوند. این مرز تنها در شبیه‌سازی‌های تراکم‌ناپذیر و در شرایطی که مقادیر ورودی جریان بر حسب فشار نباشد، کاربرد دارد. از آن‌جا که برون‌یابی مقادیر از درون دامنه حل، بر پایه فرض خطی‌ بودن تغییرات انجام می‌شود و تنها در جریان‌های توسعه یافته، مقادیر فشار نسبت به موقعیت خطی می‌شود، پیشنهاد می‌شود این مرز تنها در شبیه‌سازی جریان‌های کاملا توسعه‌یافته مورد استفاده قرار گیرد.
به طور کلی این مرز بی‌کیفیت‌ترین مرز خروجی نرم‌افزار است و استفاده از آن در هیچ شبیه‌سازی توصیه نمی‌شود. همگرایی آن در مقایسه با مرز فشار خروجی غالباً پایین‌تر است و در صورت وقوع جریان بازگشتی، پاسخ‌های آن کاملاً اشتباه است.

شکل ۱۶- شرط مرزی جریان خروجی

۶- شرط مرزی فشار خروجی همراه با افت (Outlet Vent)

این مرز کاملاً مشابه شرط مرزی Pressure Outlet است، تنها با این تفاوت که در آن بر روی مرز خروجی، یک افت فشار در نظر گرفته می‌شود. میزان افت فشار تابعی از سرعت جریان عبوری از مرز است و از تجربه و یا یک شبیه‌سازی مستقل استخراج می‌شود. این مرز در شبیه‌سازی جریان‌هایی که بر روی خروجی ‌آ‌ن‌ها یک تجهیز افت فشار مانند یک صافی نصب شده است کاربرد دارد. در استفاده از این مرز، فرض می‌شود، تجهیز نصب‌شده در خروجی، بر روی الگوی جریان تاثیر خاصی نمی‌گذارد و تنها تاثیر آن افت فشار است، بنابراین تجهیز و جزییات هندسی آن از شبیه‌سازی حذف و تاثیر آن به صورت افت فشار در نظر گرفته می‌شود.

شکل ۱۷- شرط مرزی تخلیه به فشار مشخص با افت

۷- شرط مرزی فشار خروجی همراه با تقویت فشار (Exhaust Fan)

این مرز کاملاً مشابه شرط مرزی Pressure Outlet است، تنها با این تفاوت که در آن بر روی مرز خروجی یک تقویت فشار در نظر گرفته می‌شود. میزان تقویت فشار تابعی از سرعت جریان عبوری از مرز است و از تجربه و یا یک شبیه‌سازی مستقل استخراج می‌شود. این مرز در شبیه‌سازی جریان بر روی فیزیک‌هایی که در خروجی آن یک فن و یا کمپرسور نصب شده است، کاربرد دارد. در این حالت جزییات تجهیز از نظر جریانی در نظر گرفته نمی‌شود، اما تاثیر آن بر روی تغییرات فشار دیده می‌شود و بدین ترتیب بخش قابل توجهی از جزییات غیر ضروری شبیه‌سازی و تولید شبکه حذف می‌شود.

شکل ۱۸- شرط مرزی تخلیه به فشار مشخص با تقویت فشار

۸- شرط مرزی فشار ورودی همراه با تقویت فشار (Intake Fan)

این مرز کاملاً مشابه شرط مرزی Pressure Inlet است، تنها با این تفاوت که در آن بر روی مرز ورودی، یک تقویت فشار در نظر گرفته می‌شود. میزان تقویت فشار تابعی از سرعت جریان عبوری از مرز است و از تجربه و یا یک شبیه‌سازی مستقل استخراج می‌شود.

شکل ۱۹- شرط مرزی فن ورودی

۹- شرط مرزی فشار ورودی همراه با افت فشار (Inlet Vent)

این مرز کاملاً مشابه شرط مرزی Pressure Inlet است تنها با این تفاوت که در آن، بر روی مرز ورودی یک افت فشار در نظر گرفته می‌شود. میزان افت فشار تابعی از سرعت جریان عبوری از مرز است و از تجربه و یا یک شبیه‌سازی مستقل استخراج می‌شود.

شکل ۲۰- شرط مرزی ورودی فشار همراه با افت

۱۰- شرط مرزی فشار و سرعت در دوردست (Pressure Far Field)

در این مرز که در شبیه‌سازی آیرودینامیکی جریان تراکم‌پذیر، حول اجسام در فضای بی‌نهایت کاربرد دارد، مقدار فشار و عدد ماخ در فضای بی‌نهایت تنظیم می‌شود. استفاده از این مرز الزاماً همراه با مدل دانسیته گاز ایده‌آل انجام می‌شود. شبیه‌سازی جریان حول یک جسم پرنده مانند هواپیما و یا موشک در فضای بی‌نهایت، نمونه‌هایی از کاربرد این مرز است. مقادیر مورد نیاز در آن عبارتند از عدد ماخ، راستای جریان و فشار استاتیکی در دوردست.

شکل ۲۱- شرط مرزی سرعت در دوردست

۱۱- شرط مرزی دیوار- یک‌‌طرفه (Wall)

شرط مرزی دیوار در دو حالت کاربرد دارد. دیوار با لغزش کامل که به عنوان جایگزینی برای شرط مرزی تقارن مورد استفاده قرار می‌گیرد و دیوار کامل (عدم لغزش- عدم نفوذ) نیز در شرایط مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. این مرز از نظر هیدرودینامیکی غالباً نیاز به تنظیمات خاصی ندارد و پیش‌ فرض‌ها قابل قبول است. تنها تنظیم هیدرودینامیکی مورد استفاده در آن مربوط به شبیه‌سازی مرزهای متحرک با استفاده از دستگاه متحرک است، که در آن می‌توان برای دیوار، نسبت به دستگاه مختصات لخت و یا متحرک، سرعت اعمال نمود.
تغییر دیگر مربوط به ارتفاع زبری در جریان‌های آشفته است. ارتفاع زبری در شرایطی کاربرد دارد که جریان آشفته و ارتفاع بی‌بعد زبری بیش از ۵ باشد(h+>5). روش اعمال زبری با استفاده از تغییر عرض از مبدأ تابع دیواره است و در بخش آشفتگی به تفصیل توضیح داده شده است. ارتفاع پیش‌فرض، مربوط به مدل زبری سنباده‌ای معادل است، اما می‌توان با استفاده از توابع UDF ارتفاع‌های دیگر بر اساس مدل‌های دلخواه را اعمال نمود.

شکل ۲۲- شرط مرزی دیوار- تنظیمات هیدرودینامیکی

نویسنده: آقای مهندس احسان سعادتی

برای مشاهده ادامه مطلب کلیک کنید