بخشی از مقاله
خلاصه
با توجه به استفاده روزافزون از مدلهای عددی در شبیهسازی فرآیندهای دریایی، در این پژوهش به مدلسازی عددی موج در نرمافزار 1OpenFOAM با استفاده از حلگر OLAFOAM پرداخته میشود. با توجه به قابلیت نرمافزار در مدلسازی عددی موج، ابتدا به مدلسازی عددی موج منظمی با ارتفاع 0/175 متر و پریود 1/67 ثانیه در کانال پرداخته و سپس نتایج به دست آمده با نتایج حاصل از تئوری موج مناسب مقایسه خواهد شد. بسته به مشخصات موج، شرایط و پارامترهای مدلسازی در این نرمافزار متفاوت بوده و بدین منظور توصیههایی برای بهبود مدلسازی براساس پارامترهای لازم در این نرمافزار معرفی میشود. درنهایت حساسیتسنجی اندازه شبکه برای کمهزینهترین حالت انجام خواهدشد.
1. مقدمه
در دهههای اخیر رشد مطالعات در زمینههای دریائی چشمگیر است و مدلسازی موج همیشه مورد توجه محققین است. در این بین، تحقیقات آزمایشگاهی مرتبط با فرآیندهای دریایی به واسطه نیاز به تجهیزات خاص تولید و اندازهگیری موج از پرهزینهترین و زمانبرترین نوع پژوهشها است. به همین جهت، اهمیت مدلسازی عددی این فرآیندها نمایان میشود. امروزه مدلسازی عددی موسوم به 2CFD در خط مقدم تحقیقات قرار دارد.
این امر به واسطه امتیازهایی است که مدلسازی عددی نسبت به مدلسازی آزمایشگاهی دارد. از جمله این امتیازها میتوان به هزینه پایین، سرعت بالا، کامل بودن اطلاعات بهدست آمده، توانایی در شبیهسازی پدیدههای مخرب و توانایی در مدلسازی فرآیندها همراه با تغییر پارامترهای طراحی یا خواص فیزیکی به صورت مستقل، نام برد. در کنار مزایای یاد شده این روش دارای کاستیهایی نیز هست که عدم بلوغ کامل آن در مدلسازی جریانهای چندفازی و حجم محاسبات بالا در جریانهای ناپایدار از جمله آنها است.
با پررنگتر شدن نیاز به مدلسازی عددی، نرمافزارهای ایجاد شده برای مدلهای دریایی گسترش قابل توجهی یافتهاند که از جمله آنها میتوان از نرمافزارهای تجاری مانند ANSYS Aqwa و FLOW-3D نام برد. همراه با قابلیتهای فراوان نرمافزارهای تجاری در مدلسازی فرآیندهای دریایی، باید به کاستیهائی همچون هزینه بالای خرید، دسترسی دشوار به خدمات و محدود بودن برنامهها اشاره کرد.
در مقابل، نرمافزارهای متنباز وجود داشته که به صورت رایگان در اختیار عموم هستند و امکان استفاده نامحدود و بهسازی برنامه را برای استفادهکننده فراهم میکنند. در کنار تمام مزایا، کاربران این نرمافزارها از کاستیهایی مانند نقص دستورالعمل و راهنما رنج میبرند. نرمافزار OpenFOAM در سال 1980 در امپریال کالج لندن برای مدلسازی عمومی جریان سیال کلید خورد و پس از آن گسترش فراوان یافت. نرمافزار OpenFOAM دارای حلگرهای متفاوتی برای شبیهسازی انواع جریان است.
حلگر استاندارد interFoam برای شبیهسازی جریانهای دوفازی از جمله آنها است. حلگر IHFOAM برای مدلسازی فرآیندهای دریایی با گسترش شرایط مرزی تولید و جذب فعال موج از حلگر استاندارد interFoam منشعب شد.حلگر OLAFOAM بر روی حلگر IHFOAM و با رفع نواقص آن گسترش یافت.
این حلگر توانایی مدلسازی فرآیندهای ساحلی، دریایی، هیدرولیکی و دور از ساحل3 را دارد. هیگورا1پدید آورنده حلگر OLAFOAM، آنرا به عنوان ابزاری کاربردی برای شبیهسازی مدلهای دریایی معرفی و به صحتسنجی تولید موج موج و عملکرد جذب موج پرداخت
تحقیقات وی و همکارانش نشان داد که این نرمافزار توانایی شبیهسازی پدیدههای دریایی از قبیل شکست موج، بالاروی و جریانهای زیرسطحی در دریا را دارد
هدف اصلی این پژوهش ارزیابی OLAFOAM به عنوان ابزاری برای شبیهسازی صحیح موج منظم در کانال است. حلگر OLAFOAM قابلیت تولید موج نامنظم، تک موج و انواع موج منظم را از قبیل نویدال2، استوکس مرتبه اول، استوکس مرتبه دوم، استوکس مرتبه پنجم و تابع جریان3 دارد.هیگورا در تحقیقی به مدلسازی و صحتسنجی جاذب موج در این حلگر میپردازد
همچنین این حلگر قادر است اطلاعات یک موجساز آزمایشگاهی را مدل کند. این حلگر امتیاز ویژهای در جذب موج تولید شده دارد. این حلگر از معادلات RANS برای مدلسازی جریان آشفته استفاده میکند. از مزایای این روش فرضیات کمتر آن برای مدلسازی پدیدههایی مانند شکست موج است .[4] محققینی از قبیل لی و همکاران - 2004 - 4، ونگ و همکاران - 2009 - 5، لارا و همکاران - 2012 - 6 و دل ژساس و همکاران7 - 2012 - از معادلات RANS در مدلسازی عددی استفاده کردهاند
چناری و همکاران - 2015 - به شبیهسازی عددی موج در نرمافزار OpenFOAM با استفاده از حلگر wave2Foam پرداختند .[9] آنها با قراردادن شیبهای مختلف در انتهای کانال انواع شکست موج را مدلسازی کردند.
مدلسازی جریانهای دوفازی پایدار در مدلهای عددی دارای پیچیدگیهای فراوانی است که این مشکلات در حالت ناپایدار جریان دوچندان میشود. برای اطمینان از صحت نتایج حاصل از مدلهای عددی تولید شده، باید این نتایج را با مقادیر تئوری و یا آزمایشگاهی مقایسه کرد. در این تحقیق، با بهرهگیری از پژوهشهای پیشین به بررسی مشکلهای ایجاد شده در مدلسازی موج پرداخته و سپس راهکارهایی برای بهبود موج تولید شده ارائه میشود. در ادامه، موج تولید شده را صحتسنجی کرده و آنالیز حساسیت شبکه انجام میشود.
2. روشها، معادلات حاکم و شرایط مرزی
با استفاده از معادلات 8RANS که از معادلات ناویراستوکس برای جریان لزج و تراکمناپذیر حاصل میشوند، میتوان جریان آشفته را توصیف کرد. در حلگر استاندارد interFoam، معادلات RANS برای دو فاز سیال تراکمناپذیر حل میشود. معادلات RANS با استفاده از میانگیری معادلات ناویر-استوکس بهصورت زیر بهدست میآید:
پارامتر ساختگی عددی برای جلوگیری از افزایش بیرویه دیفیوژن10 در سطح است.
این حلگر امتیاز ویژهای در جذب موج تولید شده دارد. در این پژوهش به مدلسازی موجی با ارتفاع 17/5 سانتیمتر و پریود 1/67 ثانیه در کانالی به طول 40 متر و عمق 78/5 سانتیمتر پرداخته میشود. مهاته - 1976 - 1 با استفاده از مقادیر عمق آب، ارتفاع و پریود موج نموداری برای انتخاب تئوری موج مناسب عارایه داد .[10] شکل - 1 - تئوریهای موج مناسب براساس نسبتهای بیبعد H/gT2 و H/gT2 را نشان میدهد که در آن H ارتفاع موج، T پریود موج و h عمق آب است. با توجه به نمودار شکل 1 مناسبترین تئوری موج برای موج مورد نظر این تحقیق با ارتفاع 0/175 متر و پریود 1/67 ثانیه و در کانالی به عمق 0/785 متر، تئوری موج استوکس مرتبه پنجم است.
شکل :1 انتخاب مناسبترین تئوری موج مورد استفاده با توجه به عمق آب و مشخصات موج
Fenton تئوری استوکس مرتبه پنجم را بررسی و مقادیر بهدست آمده را با نتایج آزمایشگاهی مقایسه کرد .وی ارتفاع سطح آب از سطح ایستابی را با استفاده از رابطه زیر ارائه کردکه در آن B ضرائب معادله، d عمق آب، c سرعت گروهی موج، k عدد موج.
