بخشی از مقاله
چکیده:
در این مقاله از حلگر dsmcFoam برای شبیهسازی فضای بالای پمپ مولکولار یک ماشین سانتریفیوژ استفاده گردیده است. با توجه به متن باز بودن حلگر dsmcFoam و قابلیت اصلاح و تغییر کد، میتوان شرایط خاص موردنظر برای حل مسئله را از طریق کدنویسی در این حلگر اعمال کرد. حلگر dsmcFoam توانایی شبیهسازی تمام هندسههای دوبعدی و سهبعدی را برای هندسههای مختلف دارد. در این مقاله، به شبیهسازی سهبعدی فضای بالای یک پمپ مولکولار با استفاده از این حلگر پرداخته میشود و در انتها مقادیر توان اصطکاکی ایجاد شده بر روی کپ بالایی روتور با استفاده از روشهای مولکولی محاسبه میگردد.
-1 مقدمه:
در سالهای اخیر شبیهسازی جریان داخل یک ماشین سانتریفیوژ با استفاده از روش DSMC مورد توجه قرار گرفته است. از جمله پرادهان و کوماران در سال 2011 و 2016 به بررسی شار جرمی محوری بر اساس ترم بیبعد در راستای شعاعی با استفاده از روش DSMC پرداختند1]،.[2 استفاده از روشهای بر پایه مولکولی مثل DSMC به دلیل اینکه میبایستی مسیر حرکت و برخورد هر ذره با یکدیگر و با دیواره به طور جداگانه مورد بررسی قرار گیرد، روشی زمانبر محسوب میشوند به همین دلیل با گذشت زمان نیاز به نرمافزارهایی که قابلیت اجرای موازی کدهای DSMC را داشته باشند رو به افزایش میباشد.
در کنار نرمافزارهای تجاری مانند Fluent و CFX که به حل جریان سیال به روش عددی میپردازد، نرمافزارهای متن باز نیز در این شاخه ارائه شدهاند که مهمترین مزیت آنها دسترسی به متن کد میباشد. در نتیجه میتوان حلگر و شرایط مرزی مورد نظر را مطابق با مسئله تغییر داد و نزدیکترین شرایط شبیهسازی را برای هندسه مورد نظر به دست آورد .[3] یکی از مهمترین نرمافزارهای متن باز، OpenFoam میباشد که امکان حل گستردهای از پدیدههای فیزیکی همچون جریانهای قابلتراکم و غیرقابلتراکم، جریانهای بر پایه مولکولی، جریان دوفازی، جریان در مواد متخلخل، دینامیک گازها، احتراق، توربوماشین و ... را دارا میباشد.
در این مقاله حلگر dsmcFoam برای شبیهسازی جریان مولکولی گاز در فضای بالای پمپ مولکولار یک ماشین سانتریفیوژ انتخاب گردیده است. این حلگر برای جریانهای خارجی مورد استفاده قرار میگیرد به همین دلیل مطالعه جریان گاز فضای بالای پمپ مولکولار با حلگر dsmcFoam تاکنون مورد بررسی قرار نگرفته است ولی در سال 2013 کوین گت و همکارانش اولین بار جریان داخلی را با استفاده از این حلگر برای یک اتاقک PVD مورد استفاده قرار دادند.[4]
وایت در سال 2015 از تکنیک سلولبندی انطباقی - AMR - 1 برای یک هندسه دلخواه با ایجاد تغییر در عدد نادسن جریان آن برای حلگر dsmcFoam اصلاحشده استفاده کرد و به نتایج خوبی دست پیدا کرد .[5] جرم مولکولی گاز میتواند تاثیرات چشمگیری در نتایج شبیهسازی و همچنین مقادیر توان اصطکاکی داشته باشد. در این مقاله بر اساس انتخاب شرط مرزیهای مناسب برای هندسه فضای بالای پمپ مولکولار، به شبیه سازی سه بعدی آن پرداخته شده است و تغییرات فشار و سرعت برای دو حالت گاز هوای خالص و ترکیب یکسان از گازهای هوا و اورانیم هگزافلوراید مورد بررسی قرار میگیرند تا بتوان تاثیر جرم مولکولی گاز را بر نتایج شبیهسازی مشاهده کرد.
-2 تئوری
-1-2 معرفی حلگر dsmcFoam
با توجه به اینکه روش انتخابی برای شبیهسازی فضای بالای پمپ مولکولار روش DSMC میباشد، یکی از نرمافزارهای مورد استفاده، نرمافزار متن باز OpenFoam میباشد که قابلیت شبیهسازی تمامی رژیمهای جریانی را دارا میباشد که این امر میتواند آن را تبدیل به یک نرمافزار بسیار قدرتمند سازد. این نرمافزار، یکی از محدود نرمافزارهای کد باز در زمینه CFD و روشهای لاگرانژی است که به دلیل امکان مشاهده و ویرایش معادلات و همچنین افزودن معادلات و مدلهای جدید به آن، در بسیاری از پروژههای دانشگاهی، مورد استفاده قرار میگیرد. حلگر dsmcFoam یکی از حلگرهای موجود در نرم افزار متن باز OpenFoam میباشد. این حلگر تحت OpenFoam نسخه 1.5 توسط مکفرسن2و اسکانلن3 از دانشگاه استراکلاید توسعه یافت و دارای قابلیتهای زیر میباشد:
✓ شبیهسازی جریان پایا و گذرا توسط پیشروی از طریق بازههای زمانی کوچک؛
✓ توانایی شبیهسازی هندسههای دوبعدی و سهبعدی پیچیده - هندسههای دلخواه -
✓ توانایی تعریف صفحه متقارن و مرزهای دورهای؛4
✓ قابلیت اضافه کردن انواع گونههای گازی - گازهای چندجزئی - در شبیهسازی؛
✓ امکان موازیسازی با روش MPI با تعداد هستههای نامحدود؛
✓ امکان حل مسائل با سرعت پایین یا سرعت بالای دیواره؛
✓ امکان تغییر و توسعه کدها و حلگر؛
dsmcFoam با موفقیت مورد تست قرار گرفته است و نتایج آن انطباق خوبی با حلهای تحلیلی و کدهای DSMC همردیف خود دارد. ترتیب هر مرحله از الگوریتم حلگر dsmcFoam مانند الگوریتم DSMC عمل میکند.
