بخشی از مقاله
چکیده
ابتدا براي انتخاب صحیحترین مدل پیشبینی جریان در رژیم مغشوش مطالعه روي مدلسازي جریان روي یک پله انجام شد. این مطالعه به علت نزدیکی هندسه روسازه شناور تریماران به هندسه یک پله مورد ارزیابی قرار گرفت. سپس 6 تغییر در هندسه پایه داده شد که این هندسهها در جهت کاهش ناحیه چرخش در منطقه فرود هلیکوپتر با یکدیگر مورد بررسی قرار گرفتند.
براي کاهش اثر جریان چرخشی بهترین راه منحنی ساختن دیواره بود که به علت محدودیتهاي رادارگریزي استفاده از دیوارههاي با زاویه به جاي منحنی انتخاب شد. با توجه به اینکه ناحیه چرخش در منطقه فرود، نشست و برخاست هلیکوپتر را دشوار کرده و منجر به ناپایداري و دشواري کنترل وسیله پروازي میشود، بنابراین هدف این پژوهش کوچک ساختن منطقه چرخش جریان که منجر به کاهش اختلاف فشار در ناحیه فرود هلیکوپتر میشود، میباشد.
براي این منظور چند هندسه پیشنهادي مشخص شده در نرم افزار مدلسازي شد و سپس براي تشکیل دامنه محاسباتی، اطراف مدل شبکهبندي و در حدود 12 میلیون شبکه ایجاد شد. در ادامه در نرم افزار مدلسازي جریان فلوئنت این هندسهها حل شد و مورد مقایسه قرار گرفت. در نهایت هندسه شامل دو شیب 45 درجه در کنارهها، به عنوان هندسه مطلوب انتخاب شد، به گونهاي که باعث %45 کاهش اختلاف فشار در پشت روسازه نسبت به هندسه پایه میشود.
- مقدمه
اتصال مجدد جریان لایهمرزي جداشده در بسیاري از جریانهاي آیرودینامیکی اتفاق میافتد. یکی از سادهترین جریانهایی که با این پدیده مواجه است جریان روي پله است. اگر بخواهیم از یک مدل توربولانس در یک جریان همراه با جدایش استفاده کنیم، این مدل حداقل باید بتواند جریان ساده روي پله را به خوبی مدل کند. از این رو این جریان به عنوان یک معیار براي محک زدن مدلهاي توربولانسی مختلف شناخته شده است.
در این پژوهش جریان روي یک پله به کمک مدلهاي توربولانس یک معادلهاي، دو معادلهاي و مدلهاي تنش رینولدز1 مختلف موجود در نرمافزار فلوئنت حل شده و با نتایج آزمایش مقایسه میگردد. براي مقایسه از نتایج بدست آمده توسط آقایان درایورو سیگمیلر[1 ]2 استفاده میشود. در این مقاله منظور از لغت پله، معادل فارسی عبارت رایج بک وارد استپ3 است. پس از انتخاب صحیحترین مدل پیشبینی جریان در ناحیه جدایی براي جریان مغشوش، اکنون قادر به اعمال این روش روي هندسه مورد نظر میباشیم.
هرچند که تحقیقات با استفاده از تونل باد از اهمیت شایانی برخوردار است اما استفاده از روشهاي محاسباتی جهت شبیهسازي به نحو گستردهاي در کشورهاي توسعه یافته انجام میپذیرد و با استفاده از کامپیوترهاي با قابلیت بالا، زمان طراحی و تعداد آزمایشات تونل باد را کاهش داده است. با وجود تمام پیشرفتهایی که در روشهاي محاسباتی حاصل شده است، پیشبینی دقیق و صحیح جریان با توجه به فیزیک جریان و پیچیدگی-هاي هندسی موجود کار آسانی نیست. لذا ایجاد هندسه، تولید شبکه و حل آن نیاز به ابزارهاي قوي شبکهسازي و الگوریتمهاي حل قابل اعتماد و منابع کامپیوتري مناسب دارد. روشهاي حجم محدود یا اختلاف محدود که به معادلات حاکم اعمال میشود، به عنوان روشهاي استانداردي در حل مسائل صنعتی جریان خارجی مطرح هستند و میزان حافظه و زمان محاسباتی مورد نیاز عامل محدود کنندهاي در انتخاب تعداد سلولهاي بکار رفته و نوع مدل اغتشاشی است.
با توجه به اینکه ناحیه چرخش در منطقه فرود، نشست و برخاست هلیکوپتر را دشوار کرده و منجر به ناپایداري و دشواري کنترل وسیله پروازي میشود، بنابراین هدف این پژوهش کوچک ساختن منطقه چرخش میباشد. جهت نیل به این هدف ابتدا چند هندسه مختلف انتخاب شد. این هندسهها در جهت کاهش ناحیه چرخش در منطقه فرود هلیکوپتر با یکدیگر مورد بررسی قرار گرفتند. براي کاهش اثر جریان چرخشی بهترین راه منحنی ساختن دیواره بود که به علت محدودیتهاي رادارگریزي استفاده از دیوارههاي با زاویه به جاي منحنی انتخاب شد.
شناورهاي تریماران داراي یک بدنه اصلی و دو بدنه کناري هستند. در طراحی تریمارانها، بدنهها را طوري کنار هم قرار میدهند تا تأثیر متقابل امواج هر بدنه روي بدنههاي دیگر به حداقل برسد. بدنه اصلی که دراز و لاغر است، مقاومت باقیماندة کمی را تولید مینماید و بدنههاي کناري براي کاهش مقاومت موجسازي تعبیه شده اند. رانش تریمارانها با پروانه یا واترجت تأمین میشود.
شکل نمونهاي از شناور جنگنده تریماران ]ذ[
در سال ،تتل، لامار و همکاران ]ص [ تاثیر پخ کردن لبههاي شناور را به روشهاي تجربی از جمله روش سرعت سنجی تصویري - - PIV ذرات مورد مطالعه قرار دادند. لبههاي پخ این شناور تغییري است که در مقایسه با لبههاي تیز متداول انجام پذیرفته است. اندازهگیريها براي سه هندسه انجام شده است: با لبه تیز، با لبه پخ، با لبه داراي فلپ. ناحیه جدایش تشکیل شده براي هندسه با لبهي پخ نسبت به هندسه با لبه تیز به مراتب و نسبتا بهتر از هندسه با لبهي همراه با فلپ است.
به علت هزینههاي کمتر براي مطالعات عددي نسبت به مطالعات تجربی، میتوان هندسههاي متنوعتري را مورد بررسی قرار داد. در یک مطالعه عددي توسط کاریا ]خ[ هندسههاي مختلفی با یکدیگر مقایسه شد. یکی از مهمترین موارد در مطالعات عددي اعتبار سنجی آنها با مطالعات تجربی است که این مهم به صورت جداگانه در برخی مراجع ]ز[ مورد بررسی قرار گرفته است.
برآیند نیروهاي حجمی برواحد جرم است.
براي مدلسازي تنشهاي تلاطم رینولدرز از مدل دو معادلهاي RNG k-ε استفاده شده است. جزییات مربوط به این مدلها در کتابهاي مرجع موجود است.
این مدل که از یک تئوري آماري - تئوري - Renormalization Group بدست آمده است در موارد زیر با مدل استاندارد تفاوت دارد:
- وجود یک ترم اضافی در معادله ε که دقت مدل را براي جریانهاي همراه با نرخ کرنش شدید افزایش میدهد.
- اثرات چرخش روي توربولانسی جریان در این مدل لحاظ شده است و دقت مدل را براي جریانهاي چرخشی افزایش میدهد.
- استفاده از یک فرمول تحلیلی براي محاسبه عدد پراندتل تلاطم - بجاي استفاده از ضریب ثابت -
- در حالی که مدل استاندارد فقط براي جریانهاي با رینولدز بالا مناسب است، این مدل براي رینولدزهاي پایین هم قابل استفاده می-باشد - البته به شرطی که رفتار جریان در نزدیکی دیوراه به خوبی مدل شود. -
معادلات انتقالی براي کمیتهاي k و ε به صورت زیر است:
اعتبارسنجی
براي صحهگذاري بر بررسی انجام شده نشان می دهد که مدل اسپالارت-آلماراس نتوانسته است به خوبی در هیچ کدام از نواحی شبیه سازي خوبی را ارائه دهد. همچنین علیرغم اینکه مدل stress-w می تواند جریان را در ناحیه بعد از جدایش به خوبی پیش بینی کند، اما در ناحیه جدایش با مقایسه با اطلاعات تجربی دقت خوبی را نشان نمیدهد.
شکل مقایسه نمودارهاي ضریب تنش برشی دیواره
دو مدل k-ω و k-ε,RNG اگرچه در محاسبه سرعت دقت کمتري نسبت به مدل اسپالارت-آلماراس دارند - به جز در نزدیکی دیواره - اما در محاسبه گرادیان سرعت روي دیواره بهتر از این مدل عمل میکنند و این موضوع در نمودار تنش برشی نیز قابل مشاهده است.
بنابراین با توجه به اینکه مدل k-ε,RNG توانسته است به خوبی تنش برشی بروي دیوارهها را پیشبینی کند و با توجه با اهمیت ناحیه جدایش در این مطالعه، مدل k-ε,RNG براي شبیهسازي مدل آشفتگی جریان در مسئله اصلی انتخاب می شود.
- مدلسازي و دامنه و شبکه محاسباتی
هندسه پایه و هندسههاي مختلف دیگري بر مبناي کاهش ناحیه جدایش جریان در پشت سازه در نرم افزار گمبیت ایجاد شده که در شکل ص مشاهده میشود. هندسههاي مختلف با ابعاد واقعی در نرم افزار گمبیت مدل سازي شده و در اطراف این هندسه با دور شدن به اندازه کافی از دیوارهها شبکهبندي به صورت شبکه بندي سازمانیافته انجامشده است. با توجه به بزرگی مقیاس سازه در نظر گرفته شده و جهت افزایش دقت نتایج استخراجی در حدود صد میلیون شبکه براي هر هندسه ایجاد شده است.
نحوه طراحی شبکه به شکلی بوده است که در کنار دیوارهها و در مناطقی که تغییرات زیاد فشار یا سرعت وجود دارد شبکه ریزتر و با تعداد بیشتر لحاظ گردد. این امر باعث میشود که در مدل توربولانسی روي دیوارهها مقادیر y+ ، مقادیر مناسبی بدست آمده و نتایج مورد اعتماد باشد. قابل توجه است که تاکنون هیچگونه تحلیلی در رابطه با این نوع تریماران خاص صورت نپذیرفته است.
- نتایج و بحث
در ادامه بردارهاي سرعت براي هندسههاي مختلف در سرعت تخ متر بر ثانیه روي دو صفحه مختلف در شکلها نشان داده شده است.
