بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق شبیه سازی جریان تراکم پذیر آشفته توسط مدل آشفتگی اسپالارت-آلماراس درون یک نازل همگرا - واگرا در دو حالت لزج و غیر لزج توسط نرم افزار فلوئنت×بررسی گردیده است . ابتدا بین دو حالت لزج و غیر لزج با اختلاف فشار ورودی و خروجی کم، جریان درون نازل شبیه سازی شده است که باعث ایجاد پدیده شاک و جریان برگشتی شده است، سپس با افزایش اختلاف فشار ورودی و خروجی نازل در دو حالت لزج و غیر لزج باعث از بین رفتن پدیده شاک و جریان برگشتی می شود.
مقدمه
بطور کلی جریان تراکم پذیر به جریانی گفته می شود که دارای دانسیته متغیر بوده که این در واقع بر خلاف جریان تراکم ناپذیر بوده که در آن دانسیته در کل میدان ثابت فرض می شود بطور واضح در واقعیت تمامی سیال ها تراکم پذیر می باشند و لیکن در مواردی که تغییرات دانسیته بسیار کوچک باشد می توان با دقت قابل قبول جریان را تراکم ناپذیر در نظر گرفت. این کاملاً به شرایط وابسته است بطوریکه تحت شرایطی ممکن است گاز سیال تراکم ناپذیر در نظر گرفته شود و تحت شرایط دیگر مایعی را سیال تراکم پذیر فرض کرد در حالت کلی هنگامی که سرعت گاز کمتر از 0/3 سرعت صوت باشد به دلیل اندک بودن تغییرات فشار، تغییرات دانسیته کم بوده و جریان تراکم ناپذیر در نظر گرفته می شود.
عدد رینولدز معرف نسبت نیروی اینرسی به نیروی لزجت در جریان سیال می باشد. در اعداد رینولدز پایین، نیروی لزجت، نیروی غالب بر جریان است، لذا جریان به صورت لایه ای می شود و لایه های هم جوار سیال روی یکدیگر می لغزند. در این حالت اگر شرایط مرزی با زمان تغییر نکند، جریان پایا است. این نوع جریان، جریان آرام نامیده می شود. با افزایش عدد رینولدز، از جایی به بعد که اصطلاحا عدد رینولدز بحرانی گفته می شود، به دلیل غیر خطی بودن معادلات حاکم بر جریان سیال، رفتار جریان، تصادفی و نامنظم شده، به گونه ای که حتی با وجود شرایط مرزی ثابت، جریان غیر دائمی می باشد. در این حالت، سرعت و سایر خواص جریان به صورت تصادفی و نامنظم تغییر می کنند. این نوع جریان، جریان آشفته نامیده می شود. آشفتگی نیز مانند سایر پدیده های فیزیکی خصوصیات و مولفه های مشخصی دارد که از جمله آنها می توان به موارد زیر اشاره کرد :
-1جریان آشفته، جریانی سه بعدی است.
-2جریان آشفته، همواره جریانی ناپایا است.
-3جریان آشفته همواره در اعداد رینولدز بالا اتفاق می افتد.
-4آشفتگی از خصوصیات جریان است نه سیال.
دراین تحقیق با استفاده از روش حجم محدود به کمک نرم افزار فلوئنت مدل سازی انجام شده است. نرم افزار فلوئنت یکی از نرم افزارهای صنعتی مشهور می باشد که دارای قابلیت های فراوانی است. این نرم افزار قابلیت مدلسازی جریان های دو بعدی و سه بعدی را دارد. این نرم افزار قابلیت انجام محاسبات با دقت معمولی و دقت مضاعف را دارد و به عنوان یک اختیار، کاربر می تواند هر کدام را انتخاب نماید. این نرم افزار بر پایه روش حجم محدود که یک روش بسیار قوی و مناسب در روش های دینامیک سیالات محاسباتی می باشد، بنا شده است. قابلیت های فراوانی نظیر مدل سازی جریان های دائم و غیر دائم، جریان لزج و غیر لزج، احتراق، جریان مغشوش، حرکت ذرات جامد و قطرات مایع در یک فاز پیوسته و ده ها قابلیت دیگر فلوئنت را تبدیل به یک نرم افزار بسیار قوی و مشهور نموده است.
آزمایشات عملی و محاسبات تئوری، دو روش اصلی و مشخص برای پیش بینی میزان انتقال حرارت و چگونگی جریان سیال در کاربردهای مختلف صنعتی و تحقیقاتی می باشند. در اندازه گیری های تجربی به دلیل هزینه های زیاد ترجیح داده می شود که آزمایش ها بر روی مدلی با مقیاس کوچکتر از نسخه اصلی انجام پذیرد. حذف پیچیدگی ها و ساده سازی آزمایش ها، خطای دستگاه های اندازه گیری و بعضی موانع در راه اندازه گیری از جمله مشکلاتی هستند که روش های عملی با آنها رو به رو هستند و کارآیی این حالت ها را در بعضی موارد مورد سوال قرار می دهند. مهمترین امتیاز محاسبات تئوری در مقایسه با آزمایش های تجربی، هزینه کم آن است. گر چه در بسیاری موارد ترجیح داده می شود با استفاده از روش های محاسباتی، آنالیز جریان و انتقال حرارت صورت گیرد ولی تایید تحلیل های عددی نیاز به مقایسه با نتایج آزمایشگاهی و یا نتایج تایید شده دیگری دارد.
در میان محققین، انجام پژوهش های تجربی ارزش بسیاری دارد و اگر بتوان آزمایش مطلوبی انجام داد، تحلیل های زیادی را بر محور آنها می توان گسترش داد و اطلاعات فراوانی بدست آورد. در هر صورت با دسترسی به دستگاه های محاسبه گر و رایانه های قوی، امروزه در بسیاری از موارد آنالیز دینامیک سیالات و انتقال حرارت با روش های عددی انجام می پذیرد. هرچه پدیده مورد بررسی پیچیدگی بیشتری داشته باشد روش های عددی اهمیت بیشتری پیدا می کنند.
علاوه بر سرعت بیشتر محاسبات عددی می توان با این روش ها اطلاعات کامل با جزئیات بیشتر از قبیل تغییرات سرعت، فشار، درجه حرارت و غیره را در سراسر حوزه مورد نظر به دست آورد. در مقابل، اغلب اوقات شبیه سازی آزمایشگاهی جهت بدست آوردن این گونه اطلاعات مشکل و مستلزم صرف زمان زیاد بوده و در بعضی شرایط غیر ممکن است. در اکثر مسائل مربوط به مکانیک سیالات به دلیل پیچیدگی معادلات مربوطه، استفاده از حل تحلیلی امکان پذیر نمی باشد. در این تحقیق نیز به کمک نرم افزار و با استفاده از مدل سازی، به بررسی یک پدیده فیزیکی اقدام کرده ایم.
فلوئنت یک نرم افزار کامپیوتری چند منظوره برای مدل سازی جریان سیال، انتقال حرارت و واکنش شیمیایی در هندسه نوشته شده است. با توجه به محیط مناسب نرم افزار جهت تعریف مساله و شرایط های پیچیده، تعریف شرایط مرزی گوناگون و حل مسائل پیچیده شامل تاثیر پدیده های مختلف به کمک این نرم افزار قابل حل می باشد.
فلوئنت برای آنالیز و حل مسائل طراحی خاص، روش های شبیه سازی کامپیوتری متفاوتی را بکار می برد. برای راحتی کار، تعریف مساله، محاسبه و دیدن نتایج، منوهای مختلفی درنظر گرفته شده است. وقتی نیاز باشد، فلوئنت می تواند مدل مورد نظر را از دیگر برنامه های - نرم افزارهای - تولید مدل که با آنها سازگاری دارد وارد کند. این نرم افزار امکان تغییر شبکه به صورت کامل و تحلیل جریان با شبکه های بی سازمان برای هندسه های پیچیده را فراهم می سازد. نوع شبکه های قابل تولید و دریافت توسط این گروه نرم افزاری شامل شبکه هایی با المانهای مثلثی و چهار ضلعی - برای هندسه های دو بعدی - و چهار وجهی ، شش وجهی، هرمی یا گوه ای - برای هندسه های سه بعدی - می باشد.
همچنین فلوئنت به کاربر اجازه دستکاری شبکه - مثلا ریزکردن یا درشت کردن شبکه در مرز و مکان های لازم در هندسه - را می دهد. این بهینه سازی برای حل شبکه، قابلیتی در اختیار کاربر قرار می دهدکه نتایج را در نواحی که دارای گرادیان های بزرگ - مثل لایه مرزی و... - باشند، دقیق تر سازد. این قابلیت ها مدت زمانی را که برای تولید یک شبکه خوب مورد نیاز است را در مقایسه با حل در شبکه های با سازمان به صورت قابل ملاحظه ای کاهش می دهد.
این نرم افزار با زبان برنامه نویسی C نوشته شده است و از تمامی توان و قابلیت انعطاف این زبان بهره می برد. نتیجتا این نرم افزار با استفاده از حافظه دینامیک، ساختار مناسب داده ها و اطلاعات و کنترل انعطاف پذیر، محاسبات را ممکن می سازد.
حمیدی و همکاران شبیه سازی عددی جریان دو فاز حدود صوت حاوی شوک در نازل همگرا - واگرا را انجام داده اند[1] که در این تحقیق جریان سیال تراکم پذیر در نازل همگرا -واگرا به روش حجم محدود با استفاده از نرم افزار فلوئنت برای حالت جریان ایده ال و حالت جریان واقعی مدل سازی وتحلیل شده است.
