بخشی از مقاله
چکیده:
در این تحقیق شبیه سازی عددی جریان آشفته درلوله با سرعت یکنواخت1 متر برثانیه که برپایه جریان عددی دو بعدی است، با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی بررسی شد. هندسه مسئله با استفاده از روش گسسته سازی مرتبه 2 مدل شد. در رژیم جریان آشفته از مدلinviscid استفاده شد. نتایج شبیه سازی های CFD با روابط تجربی موجود در مراجع مقایسه شدند و مشاهده شد که این دو نتیجه بر هم منطبق شدند.
شبیه سازی عددی جریان آشفته به وسیله ی تحلیل اعداد رینولدز صورت گرفته است. تحلیل و توزیع شبکه برای اعداد رینولدز گوناگون متفاوت است. نتایج شبیه سازی با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده است و درنتیجه موافقت رضایتمندی به دست آمد که بیانگوی این مطلب است که مدل عملی پاسخ گوی نیاز ما برای فرآیندهای انتقال مومنتوم درلوله همراه با درنظرگرفتن سرعت آن بوده است، به خصوص درمکان نقطه آشفتگی و برخورد لایه های ناپایدار.
مقدمه
لوله ها ازجمله وسایلی هستند که درصنعت کاربرد زیادی دارند.درمورد لوله ها روابط تحلیلی زیادی وجود دارد ولی این روابط تحلیلی اغلب فرضیات زیادی دارند وبه طورمستقیم درصنعت به کار نمی روند.برهمین اساس استفاده ازCFD - دینامیک سیالات محاسباتی - برای مدل کردن دقیق تر لوله ها لازم است .
دراین پژوهش به این نتیجه می رسیم که چگونه یک جریان ناپایدار را می توان مدل کرد،توزیع سرعت در لوله را به دست آورده وجریان های باسرعت بالا شبیه سازی می شوند ،سپس نتایج تحلیلی را با نتایج فلوئنت مقایسه می کنیم هم چنین مدل لزجت برای این جریان ها را درنرم افزار بررسی می کنیم جریان آشفته ،ابعاد مجرا وجریان لایه مرزی از پارامترهای است که بایددرنظرگرفته شوندتا استدلال درستی ازجریان مناطق درونی وبیرونی لوله انجام گیرد.
متغیرهایی مثل شعاع لوله ،ضخامت لایه مرزی به کارگرفته می شوند تا توصیف جریان های آشفتگی را باهدف بازبینی نتایج آزمایشگاهی وبه دست آوردن اطلاعات حول میدان جریان رابه انجام رسانند.بیشترمطالعات نشان داده که نزدیک دیواره میزان آشفتگی باافزایش عدد رینولدز افزایش یافته.هدف،بازسازی ساختارهای آشفتگی وتولید آمارهای واقعی است.فزونی آشفتگی یک پارامتر مفید برای بررسی مشخصات برخورد بین نواحی داخلی وخارجی لوله است وکلیدی است برای تمرکز روی پژوهش حاضر.
بعد ازکار با نرم افزارفلوئنت دراین مقاله خواهیم دید که چگونه یک جریان آشفته به راحتی در فلوئنت مدل می شود،چگونه اعتبار نتایج مدل آشفتگی رابررسی کنیم،ببینیم آیا می شود به نتایج آن اعتماد کردیاخیر وچگونه صورت ظاهری نمودارها راتغییردهیم. بهینه سازی بردارهای سرعت به منظور به دست آوردن سرعت ماکزیمم تحت ورودی های قابل اندازه گیری، یکی از بیشترین و مهم ترین فاکتورهای طراحی برای لوله است.طراحی به وسیله روش ومتد مشخصات وتحویل یک جریان یکپارچه خروجی ازلوله انجام می گیرد،اما ممکن است ضریب اصطکاک پوسته را بسیارمحدود کند.
به علاوه افزایش سرعت محوری دراین شبیه سازی به چشم رسیده.جریان آشفتگی و ساختار های پیچیده جفت شده نواحی درون لوله به وجود آورنده بارهای مکانیکی مهمی درنسبت بالاتر توزیع است.جریان آشفتگی معمولاً ناخواسته ونامطلوب است ،این امرزمانی است که نیروهای جانبی درساختار لوله نمایش داده شوند.
دانش فرآیندهای گذر و مغشوش درلوله بسیار مهم است تا پیش بینی رفتار ناپایدار این بارگذاریها را درطول شروع و اتمام فازها به خوبی به انجام رساند.به علاوه شکل لوله - زانویی یامستقیم - تاثیرمهمی روی نوع جریان دارد.قابل توجه است که برای لوله های زانویی ساختار جریان گذر به وجود آورنده تغییرناگهانی توزیع سرعت درطول دیواره لوله است.درنتیجه تولید بارگذاری های قوی مثل بارزیاد سرعت باعث تشکیل جریان آشفتگی دردیواره لوله می گردد. ویژگی های بارگذاری های کناردیوار درطراحی ترمومکانیکی جریان لوله بسیار حائز اهمیت است.به طوربنیادی تغییرخصوصیات جریان های پیچیده ومتراکم ،پدیده فزونی آشفتگی را شکل می دهد
محققان اندکی بررسی کرده اندکه جریان های گذر و مغشوش لوله در نقطه ورودی خود را ظاهر می سازند. مطالعات زیادی تاکنون درخصوص تاثیر چندین پارامتر مثل جریان لایه مرزی وشعاع لوله برروی سرعت محوری به انجام رسیده است درحال حاضر اغلب شبیه سازی ها حول لوله مسطح 2 بعدی و متقارن می چرخد. از نقطه نظرعددی تحقیقات کمی درباره شروع واتمام شبیه سازی جریانهای گذرای لوله انجام شده. محاسبه هزینه های ساخت لوله با قابلیت های بالا همواره یک رقابت بین تحقیقات علمی بوده.[4] کارهای گذشته بیشتردرباره طراحی لوله 2 بعدی بودند و داده های آماری اندکی ازآنها به دست آمده.این در حالی است که کارهای علمی کنونی به طراحی3 بعدی وجزیی انواع لوله ها می پردازد.
بخش تجربی
معادلات حاکم ناویر-استوکس هستندکه دراین شبیه سازی استفاده شده تاحرکت مولکولی جریان مغشوش کناردیواره را درلوله توصیف کند.برای جریان گذرا فقط معادلات پیوستگی به صورت جداگانه حل می شوند ومعادله انرژی ازآنها متمایز می شود.[4,5]درپژوهش حاضر از معادلات نویر- استوکس - Navier-Stokes equations - ومعادله پیوستگی درتناسبات لوله ای یا استوانه ای کمک گرفته شده [5]. اعدادرینولدز دراین مدل برپایه قطرلوله وسرعت محوری است.
این مسئله مشابه مسئله ی جریان آرام درلوله است با این تفاوت که عددرینولدز جریان 10000است.یعنی جریان لوله کاملاً آشفته است.براین اساس صورت مسئله این می شودکه یک جریان باسرعت یکنواخت 1متربرثانیه وارد لوله ای به قطر0,2 مترو طول 8 متر می شود.چگالی وضریب لزجت سیال به ترتیب 1کیلوگرم برمترمکعب و0,00002 است .جریان درخروجی لوله واردهوای آزاد با فشار1اتمسفر میشود.همانطورکه گفته شدکمیت ها درجریان آشفته میانگین گیری زمانی می شوند،به همین خاطر معادلات حاکم بسته نمی شوند،یعنی تعداد مجهولات بیشتراز تعداد معادلات هستند ومدل های آشفتگی به ماکمک می کنندتا معادلات را ببندیم .
مدلی که دراین مثال ماازآن استفاده می کنیم مدلK-4 است این مدل دومعادله ی دیفرانسیل برای - Kانرژی جنبشی آشفتگی - و4 - میرایی آشفتگی - را به معادلات بقا اضافه می کند.بنابراین انتظارمی رود مسائل آشفته ازلحاظ کامپیوتر وزمان حجیم ترباشند.درمرحله اول به بررسی شبکه پرداخته شده وسپس در کیفیت شبکه دقت می کنیم که مقدار - حجم کمینه - - minimum volume - مثبت باشد.
درمرحله ی سوم شبکه را نمایش می دهیم.برای مدل کردن صحیح لایه مرزی لازم است که نزدیک دیواره ی شبکه ریزترباشد،زیرا تغییرات شدید است ودریک فاصله ی کم تغییرات زیادی مداریم.مسئله تراکم پذیر است وقرارنیست توزیع دما به دست آوریم .توجه داریم مسئله تقارن محوری است ودامنه ی حل درجهت عمودی از0 تا 0,1 است ولی قطر هیدرولیکی را برابر قطرواقعی لوله یعنی 0,2 قرارمی دهیم.لازم به تغییری درفشارنسبی نیست،ولی پارامترهای آشفتگی بایدتنظیم شوند.شرط مرزی دیواره - wall - ومحورتقارن - - axis تنظیمی لازم ندارند.
قابل ذکراست که مرتبه ی گسسته سازی که ما مشخص می کنیم درحقیقت درترم های جابجایی اعمال می شوند.گسسته سازی ترم های لزجت درفلوئنت همیشه مرتبه 2است. گسسته سازی مرتبه 2 دقت بالاتری دارد درحالی که گسسته سازی مرتبه 1 ،قوی تر - - robust است.اگرگسسته سازی مرتبه 2 همگرا نشد,می توان ابتدا مرتبه 1 تکرارها راشروع کرد ودرادامه روش رامرتبه 2 قرارداد.درمرحله ی پس پردازش، جریان های آشفته به شدت تحت تاثیردیواره ها هستند.مدلK-4 قدمتاً برای نواحی دورازدیواره ها معتبراست وکارهای خاصی بایدانجام شود تا نزدیک دیواره ها هم معتبر باشد.مدل نزدیک دیواره نسبت به تعدادسلول های نزدیک دیواره حساس است.به عنوان یک حساب سرانگشتی هنگامی که ازمدل K-4استفاده بایدکمیت های مرجع تعیین شوند قابل ذکراست که میدان های سرعت باپروفایل سرعت آرام شروع می شود.
توجه داریم که در مسائل باسرعت بالا - عددرینولدز بالا - به علت غالب بودن ترم های جابجایی و سرعت زیاد، لایه مرزی زیاد رشد نمی کند.چون جریان ناپایدار است لازم است معادلات پیوستگی ومومنتوم باهم حل شوند.درسیالات چگالی با توجه به دما وفشارتعیین می شود.تعیین فشارکاری بسیارمهم است چون چگالی براساس فشار مطلق تعیین می شود.باتوجه به اینکه به جریان درلوله حرارت داده نمی شود وکاری روی آن ازخارج انجام نمی شود،دمای کل ثابت می ماند.دراین مقاله سعی شده نمودار ضریب اصطکاک پوسته رسم شود وهدف این است که نمودار تغییرات آن راروی محور مرکزی و روی دیواره رسم کنیم.
نتایج و بحث
شبیه سازی عددی براساس تقارن محوری2 بعدی انجام شده .از نرم افزارفلوئنت کمک گرفته شده تا معادلات حاکم راحل کند ومدل خروجی را به صورت تغییر سرعت محوری وضریب اصطکاک پوسته نمایش دهد.
