منتشرشده در

آشنایی با جریان‌های آرام و آشفته Laminar and Turbulent Flow

آشنایی با جریان‌های آرام و آشفته

جریان‌های لزج را می توان به دو رژیم جریان آرام و آشفته تقسیم کرد. معیار آرام یا آشفته بودن جریان عدد رینولدز است عدد رینولدز، نسبت نیروی اینرسی به نیروی لزجی (ویسکوز) است.

✅ جریان آرام جریانی است که در آن سیال به طریقی منظم و تحت لایه‌ها و مسیرهای مشخص حرکت می‌کند.

✅ در جریان آشفته، سیال تحت نوسانات جریانی و فرآیندهای اختلاطی شدید قرار می‌گیرد. از مهم‎‌ترین ویژگی‌های جریان آشفته می‌توان به سه بعدی بودن، دورانی بودن، نوسانات زمانی و مکانی و رفتار تصادفی و غیرقابل پیش‌بینی اشاره کرد. با توجه به پیچیدگی‌های جریان‌های مغشوش و اینکه بیشتر جریان‌ها در صنعت آشفته می‌باشند، مدل‌سازی جریان‌های آشفته در فلوئنت از اهمیت بالایی برخوردار است. نرم افزار انسیس فلوئنت یکی از قوی‌ترین و کامل‌ترین حلگرهای دینامیک سیالات محاسباتی در زمینه‌ی مدل‌سازی جریان‌های آشفته می‌باشد و مدل‌های آشفتگی متنوعی را برای شبیه‌سازی جریان‎‌های توربولانس در اختیار کاربران قرار می‌دهد.

مهم ترین ویژگی های جریان آشفته:

۱) جریان‌های آشفته سه بعدی هستند.
۲) جریان‌های آشفته چرخشی هستند.
۳) در جریان‌های آشفته طیفی از مقیاس‌های طولی و زمانی وجود دارد.
۴) جریان‌های آشفته در اعداد رینولدز بالا اتفاق می‌افتند.
۵) جریان‌های آشفته یک محیط پیوسته هستند.
۶) جریان‌های آشفته دارای رفتار تصادفی و غیر قابل پیش بینی می‌باشند.
۷) در جریان آشفته به جز انتقال مولکولی، انتقال از طریق ادی ها صورت می پذیرد.
۸) در جریان آشفته اختلاط و mixing وجود دارد در صورتیکه که در جریان آرام اینگونه نیست.

آشنایی با نحوه تشکیل ادی ها(ساختارها) در جریان توربولانس

به واسطه حرکات اتفاقی و نامنظم ذرات در یک جریان آشفته و وجود اغتشاش در جریان، گاها در امتداد عمود بر جهت جریان یک سری جریانات جانبی رخ می دهد. به واسطه این عمل مومنتم لایه های نزدیک دیواره(که به واسطه ذات اضمحلالی جریان آشفته بخشی از انرژی آن ها از دست رفته است ) به طور دائمی توسط لایه های پرانرژی بالاتر تامین می گردد.

✅ با در نظر گرفتن این اصل که همواره هر ذره متحرک سیال تمایل به حفظ مومنتم خود دارد، وقتی بواسطه یک اغتشاش کوچک، ذره ای از سیال داخل لایه مرزی با مومنتم کم، به لایه ای با مومنتم بالا جهش می نماید، برای حفظ و بازگشت ذره به مومنتم اولیه خود، ذره در موقعیت جدید، حرکتی را در مقیاس کوچک، ولی در خلاف جهت مومنتم لایه مزبور انجام می دهد تا مومنتم افزایش یافته تا حدی به مومنتم اولیه خود کاهش یابد. مجموعه ی این حرکات در کنار تمایل جریان به حفظ قانون پیوستگی، منجر به تشکیل ادی می گردد.

⬅ همین توصیف در مورد ذراتی که از لایه با مومنتم بالا به لایه با مومنتم پایین منتقل می گردند و در نهایت باعث تشکیل ادی می شوند نیز صادق است.

مدل‌های RANS روش تجزیه رینولدز را بر معادلات ناویراستوکس اعمال می‌کنند. به عبارتی این روش مولفه سرعت را به دو قسمت میانگین سرعت و بخش‌های در حال تغییر (نوسان) می‌شکند. این کار منجر به تولید یک مجهول می‌شود که به تنش رینولدز (Reynolds Stress) معروف است.

✅ برای حل تنش رینولدز از مدل‌های توربولانس استفاده می‌شود. برای حل تنش رینولدز دو روش وجود دارد:

۱) روش اول که به عنوان مدل لزجت گردابه (Eddy Viscosity Model) شناخته می‌شود و نسبت به روش دوم نیز متداول‌تر است، برای مقدار لزجت توربولانس یک مقدار ایزوتروپیک در نظر گرفته می‌شود.

۲) روش دوم برای حل هر یک از ۶ تنش رینولدز به طور جداگانه از مدل تنش رینولدز (Reynolds Stress Model or RSM) استفاده می‌شود و بنابراین این روش غیرایزوتروپیک است.

یکی از بهترین و مختصرترین مطالب آموزشی در خصوص بررسی انواع مدلسازی جریان‌های آرام و آشفته در نرم افزار فلوئنت توسط شرکت انسیس در این فایل شرح داده شده است.

Turbulence_Notes_Fluent-v6.3.06

برای آموزش مفاهیم جریان‌های آرام و آشفته، دوره‌‎‌ی آموزشی ” از مبتدی تا حرفه‌ای در انسیس فلوئنت (فصل اول)” در بخش فروشگاه آموزشی را پیشنهاد می‌کنیم.

مدل‌سازی جریان‌های آشفته در نرم افزار انسیس فلوئنت

 مدل‌های آشفتگی نرم افزار انسیس فلوئنت به شرح زیر می‌باشند:

اسپالارت آلماراسSpalart-Allmaras
کا اپسیلنk-epsilon
کا امگاk-omega
کاامگای گذراTransition k-kl-omega
انتقال تنش برشیTransition SST
تنش‌های رینولدزReynolds Stress
شبیه‌سازی ‌مقیاسی- تطبیقیScale-Adaptive Simulation (SAS)
شبیه‌سازی ادی جدا شدهDetached Eddy Simulation (DES)
شبیه‌سازی گردابه بزرگLarge Eddy Simulation (LES)

 

هر کدام از مدل‌های توربولانسی برای کاربردهای خاصی طراحی شده‌اند. به عنوان مثال مدل توربولانسی اسپالارات آلماراس برای کاربردهای هوافضایی و جریان توربوماشین‌ها مناسب است و مدل Realizable K-epsilon در جریان‌های دارای جدایش و جریان‌های ثانویه پیچیده عملکرد بهتری دارد.

چگونه می‌توانیم مدل آشفتگی مناسب را برای مدل‌سازی جریان توربولانس در فلوئنت  انتخاب کنیم؟

مهندسان همواره برای شبیه‌سازی جریان‌های آشفته از دینامیک سیالات محاسباتی استفاده می‌کردند، با گذر زمان و پیشرفت علوم کامپیوتری، شبیه‌سازی‌های عددی از نظر عملکرد، سرعت و دقت پیشرفت‌های زیادی داشته‌اند ولی همچنان انتخاب مدل آشفتگی مناسب برای شبیه سازی جریان آشفته از مهمترین چالش‌های شبیه سازی توربولانس می‌باشد.

مقایسه‌ی بین نتایج مدل‌های آشفتگی نرم افزار انسیس فلوئنت
مقایسه‌ی بین نتایج مدل‌های آشفتگی نرم افزار انسیس فلوئنت

 

معمولا مهندسان برای انتخاب مدل آشفتگی مناسب در نرم افزار فلوئنت، مسئله مورد نظر را با مدل‌های آشفتگی مختلف شبیه‌سازی می‌کنند و نتایج حل عددی را با داده‌های آزمایشگاهی مقایسه می‌کنند و مدل آشفتگی را که نتایج آن به داده‌های تجربی نزدیک‌تر است، بعنوان مدل مناسب برای شبیه‌سازی انتخاب می‌کنند. برای شبیه سازی جریان حول یک برآمدگی، نتایج مدل‌های آشفتگی  RKE،SST  و GEKO با داده‌های تجربی مقایسه شده است، مطابق نمودار توزیع فشار روی دیواره‌ی برآمدگی، مدلSST  در مقایسه با سایرمدل‌های آشفتگی، ضریب فشار را نزدیک به نتایج تجربی پیش‌بینی کرده‌است، با این اوصاف مدل آشفتگی SST بعنوان مدل مناسب برای شبیه‌سازی جریان حول برآمدگی انتخاب می‌شود.

شماتیک یک برآمدگیِ دارای تقارن محوری

 

توزیع ضریب فشار روی برآمدگی

 

این روند، همیشه درست نیست، اول اینکه: برای شبیه‌سازی داده‌های تجربی از یک سری ساده‌سازی‌ها استفاده می‌شود. دوم اینکه، هیچ تضمینی وجود ندارد که مدل‌های آشفتگی برای شبیه‌سازی مسائل خیلی پیچیده دقیق عمل می‌کنند. علاوه بر این، مقایسه عملکرد مدل‌های توربولانسی با توجه به اینکه هر کدام از این مدل‌ها  به تنظیمات متفاوتی نیاز دارند، پیچیده می‌باشد.

یکی از نکات مهمی که در انتخاب مدل آشفتگی باید به آن توجه کرد، پدیده‌های جریانی غالب در جریان اصلی مانند: جدایش، تشکیل گردابه‌ها، جریان‌های ثانویه و… می‌باشد، شناخت پدیده‌های جریانی غالب در مسئله با توجه به ویژگی‌های مدل آشفتگی به ما در انتخاب مدل مناسب برای شبیه سازی کمک می‌کند.

برای آشنایی کامل با مدل‌های آشفتگی، ویژگی‌ها و کاربردهای آن‌، دوره‌ی آموزشی ” از مبتدی تا حرفه‌ای در انسیس فلوئنت (فصل اول) در بخش فروشگاه آموزشی را به شما پیشنهاد می‌کنیم.

آیا می‌توان مدل‌های آشفتگی نرم افزار فلوئنت را توسعه داد؟

یکی از راه‌های توسعه مدل‌های آشفتگی در نرم افزار فلوئنت استفاده از قابلیت یو دی اف نویسی است. UDF مخفف User Defined Function توابع تعریف شده توسط کاربر است، که بوسیله آن می‌توان قابلیت‌های نرم افزار فلوئنت را گسترش داد.

برای آشنایی کامل با اصول یو دی اف نویسی، دوره‌ی آموزشی ” کدنویسی در فلوئنت از مقدماتی تا پیشرفته (فصل اول)در بخش فروشگاه آموزشی را پیشنهاد می‌کنیم.

در فصل دوم دوره  کدنویسی در فلوئنت از مقدماتی تا پیشرفته مدل آشفتگی کا اپسیلون را برای شبیه‌سازی جریان‌های رینولدز پایین با استفاده از یو دی اف توسعه داده‌ایم.

علاوه بر قابلیت یودی اف نویسی که برای توسعه مدل‌های آشفتگی در اختیار کاربران قرار گرفته، در نسخه ۲۰۱۹ انسیس فلوئنت مدل آشفتگی جدید کا امگای جنرال (GEKO) ارائه شده است، با استفاده از این مدل آشفتگی، می‌توانیم نتایج حل عددی را به منظور نزدیک‎‌تر شدن به داده‌های آزمایشگاهی اصلاح کنیم، در واقع بجای اینکه امیدوار باشیم این مدل عملکرد مناسبی داشته باشد، مدل را به منظور رسیدن به جواب‌های مناسب اصلاح می‌کنیم.

مدل آشفتگی کا امگای جنرال در انسیس فلوئنت ۲۰۱۹
مدل آشفتگی کا امگای جنرال در انسیس فلوئنت ۲۰۱۹

چگونه می‌توان مدل آشفتگی  GEKOدرنرم افزار فلوئنت را برای تطابق نتایج حل عددی با جریان‌های آشفته اصلاح کرد؟

در این مدل محققان از شش ضریب آزاد برای تطبیق نتایج مدل CFD با جریان‌های آزمایشگاهی استفاده می‌کنند.

عملکردنام ضریب
ضریب مربوط به جدایش جریان در مجاورت دیوارهای صافCSEP
انتقال حرارت برای جریان های مجاور دیوارهCNW
جریان آزاد برشیCMIX
نرخ انتشار جت آزادCJET
جدایش جریان گوشهCCORNER
جریان‌های گردابه‌ایCCURV

نحوه استفاده از این مدل آشفتگی بدین صورت است که، نتایج مدل عددی را با داده‌های آزمایشگاهی مقایسه می‌کنیم و این ۶ ضریب تا زمانی که نتایج حل  عددی با داده‌های ازمایشگاهی تطبیق یابند تغییر می دهیم.

در ادامه می‌توانید اثر ضریب CMix در مدل آشفتگی کاامگای جنرال را در نتایج شبیه‌سازی عددی جریان حول یک سیلندر مثلثی مشاهده کنید.

جریان اطراف یک سیلندر مثلثی
دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *