معرفی نرم­افزار Fluent

با گسترش روزافزون نقش کامپیوتر در زندگی بشر، علم مکانیک سیالات نیز از آن بی­بهره نبوده و بسیاری از معادلات این علم که با روش­های تحلیلی قابل حل نبوده با کمک کامپیوتر حل شده است تا جایی که شاخه جدیدی از علم مکانیک سیالات به نام مکانیک سیالات محاسباتی (CFD) پا به عرصه وجود نهاد. دینامیک سیالات محاسباتی، حل عددی معادلات دیفرانسیل پاره­ای مربوط به سیستم­های نظیر جریان سیال، انتقال حرارت و واکنش­های شیمیایی می­باشد که با بهره گرفتن از شبیه سازی کامپیوتری صورت می­گیرد.
یکی از قدرتمندترین نرم­افزارهایی که برای تحلیل مسائل مختلف و با بهره گرفتن از روش­های دینامیک سیالات محاسباتی و مبتنی بر روش حجم محدود تا کنون نوشته شده است نرم­افزار Fluent می­باشد که می ­تواند برای حل مسائل جریان سیال، انتقال حرارت، احتراق، جریان­های دو فازی و … به کار گرفته شود. این نرم­افزار اولین بار در سال ۱۹۸۵ توسط شرکت Fluent ارائه شد اما در سال ۲۰۰۶ شرکت ANSYS این شرکت را خریداری کرده و نسخه Fluent 6.3 را ارائه نمود.
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت nefo.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))
نرم­افزار Fluent دارای قابلیت ­های فراوانی می­باشد که به طور خلاصه در زیر آمده است:
تحلیل جریان­های دو بعدی و سه بعدی
توانایی به کارگیری انواع شبکه­ ها
تحلیل جریان­های دائم و غیر دائم
تحلیل جریان­های قابل تراکم و غیر قابل تراکم
تحلیل جریان­های غیر لزج، آرام و مغشوش
جریان سیالات نیوتنی و غیر نیوتنی
تحلیل انتقال حرارت
تحلیل جریان­های چند فازی
تحلیل جریان در محیط­های متخلخل
توانایی مدل کردن هندسه­های دینامیکی
تحلیل جریان در حفره­ها
و … (دهقانی سانیچ، ۱۳۹۱)

مدل­های توربولانسی

همانطور که در بخش قبل ذکر شد مشخصه اصلی جریان توربولانسی نوسانات نامنظم پارامترهای جریان از جمله سرعت می­باشد. این نوسانات سرعت باعث به هم ریخته شدن کمیت­های انتقالی مانند مومنتوم، انرژی و غلظت می­ شود. به علت مقیاس­های کوچک و فرکانس­های بالای این نوسانات، شبیه سازی آن­ها به طور مستقیم و با محاسبات کاربردی مهندسی قابل انجام نیست و در عوض باید از میانگین گیری زمانی در معادلات استفاده نمود و سعی کرد این مقیاس­های کوچک را از معادلات حذف کرد تا بتوان معادلات اصلاح شده­ای داشته باشیم که هزینه کمتری برای حل داشته باشند. اما برای بیان این نوسانات در معادلات اصلاح شده نیاز به تعریف متغیرهای جدیدی خواهد بود (متغیر تنش رینولدز در معادله ۳-۶) که البته می­توان این متغیرهای جدید را با روش­های مختلفی تعیین و محاسبه نمود که به این روش­ها، مدل­های توربولانسی گفته می­ شود. در نرم­افزار Fluent مدل­های توربولانسی زیر موجود است:
مدل اسپالارت - آلماراس ((SA)Spalart-Allmaras) : مدل نسبتا ساده تک معادله­ای است که برای اعداد رینولدز پایین کاربرد داشته و لذا باید لایه مرزی که تحت تاثیر لزجت است، در آن وجود داشته باشد. مدل اسپالارت – آلماراس، مدل جدیدی بوده و هنوز هیچ ادعایی مبنی بر مناسب بودن آن برای تمام مسائل مهندسی پیچیده ارائه نشده است با این وجود هنوز جزء رایج ترین مدل­ها در کاربردهای هوافضایی می­باشد.
مدل k-ε شامل سه روش Standard k-ε، RNG k-ε و Realizable k-ε : ساده­ترین مدل­های توربولانسی که نسبتا کامل هستند، مدل­های دو معادله­ای k-ε می­باشند. قدرتمندی، اقتصادی بودن محاسبات و داشتن دقت قابل قبول در محدوده­ وسیعی از جریان­های توربولانسی باعث محبوبیت این مدل­ها در مسائل جریان­های چند فازی شده است. مدل Standard k-ε یک مدل نیمه تجربی است و چون توانایی­ها و ضعف­های این مدل مشخص شده است لذا جهت بهبود آن، مدل­های پیشرفته­تر RNG k-ε و Realizable k-ε ارائه شده است که هر کدام دارای توانایی­های خاصی بوده و در دامنه­ وسیع­تری از جریانات نسبت به Standard k-ε کاربرد دارند.
مدل k- شامل دو روش Standard و SST^[47] : در این مدل برای محاسبه ویسکوزیته توربولانسی از فرکانس توربولانسی () به جای نرخ اتلاف (ε) استفاده می­ شود. بر خلاف مدل k-ε که یک مدل رینولدز بالا می­باشد، مدل k- اثرات اعداد رینولدز پایین را نیز به حساب می ­آورد. جهت ارتقا مدل Standard k-، مدل SST k- ارائه شده که از آمیختن روش k- و k-ε به دست آمده است. این مدل در نواحی جریان با رینولدز پایین از مدل k- و در نواحی جریان با رینولدز بالا از مدل k-ε جهت مدل سازی بهره می­گیرد.
مدل تنش رینولدز ((RSM)Reynolds Stress Model ) : این مدل استادانه­ترین مدل موجود در Fluent می­باشد که در آن جهت تعیین تنش­های رینولدز از حل معادلات انتقالی و برای محاسبه نرخ اتلاف (ε) از یک معدله­ی اضافی دیگر استفاده می­ کند. به عبارتی در جریان­های دو بعدی ۵ معادله و در جریان­های سه بعدی ۷ معادله به صورت توام حل می­شوند. این مدل به دلیل لحاظ کردن اثرات انحنای خط جریان، گردابه^[۴۸]، چرخش^[۴۹] و تغییرات سریع نرخ کرنش، کاربرد وسیع­تری نسبت به مدل­های دو معادله­ای دارد.
مدل شبیه­سازی ادی منفصل ((DES)Detached Eddy Simulation ) : این مدل اغلب در کاربردهایی مثل شبیه­سازی­های آیرودینامیکی رینولدز بالا مفید می­باشد.
مدل شبیه­سازی ادی­های بزرگ ((LES)Large Eddy Simulation ) : در این مدل گردابه­های موجود در جریان­های توربولانسی به طور کامل و مستقیم حل و شبیه­سازی می­شوند لذا برای استفاده از این روش نیاز به حجم محاسبات بالا می­باشد.
واضح است که هیچ مدل آشفتگی وجود ندارد که برای تمامی مسائل مهندسی جواب‌گو باشد. انتخاب مدل از بین مدل‌های موجود وابسته به مواردی مثل فیزیک جریان مسئله‌ی مورد نظر، وجود یا عدم وجود همزمان چند رژیم متفاوت جریانی در کنار یکدیگر، میزان دقت مورد نیاز، امکانات محاسباتی در دسترس و میزان زمان مورد نیاز برای رسیدن به جوابی معقول، می­باشد. (دهقانی سانیچ، ۱۳۹۱)
در تحقیق حاضر مدل­های مختلف توربولانسی از جمله مدل­های k-ε و k- استفاده شده و قابلیت هر کدام در شبیه سازی جریان داکت در حالت­های دو بعدی و سه بعدی و در شرایط با هوادهی و بدون هوادهی، مورد ارزیابی قرار گرفته است. به دلیل تطابق بالای مدل­های توربولانسی دو معادله­ای انتقال تنش برشی SST و RNG k-ε با نتایج آزمایشگاهی، در این تحقیق از این دو مدل جهت افزایش دامنه مطالعاتی در مدل عددی استفاده شده که در ادامه به تشریح این دو مدل پرداخته خواهد شد.
مدل RNG k-ε از روش­های آماری بدست آمده و مشابه مدل Standard k-ε می­باشد اما دارا بودن قابلیت ­های قابل توجهی مثل داشتن ترم­های اضافی در حل معادله ε، گنجانده شدن اثر گردش بر توربولانس در این مدل و قابلیت مدل کردن جریان­های با عدد رینولدز پایین باعث شده که این مدل نسبت به مدل Standard k-ε دقت بالاتر و عملکرد مطمئن­تری در دامنه وسیع­تری از جریان­ها داشته باشد.
معادله انرژی جنبشی توربولانسی (k) و معادله نرخ استهلاک انرژی جنبشی توربولانسی (ε) و روابط وابسته دیگر به کار رفته در این مدل توربولانسی، به ترتیب در روابط (۳-۷)، (۳-۸)، (۳-۹) و (۳-۱۰) ارائه شده ­اند. (Fluent 6.3 User’s Guide, 2006)
(‏۳‑۷)
(‏۳‑۸)
در روابط فوق G_k منبع تولید انرژی جنبشی توربولانسی بوده که طبق رابطه (۳-۹) بیان می­گردد.
(‏۳‑۹)
برای ویسکوزیته موثر µ_eff با توجه با دامنه عدد رینولدز روابط مختلفی ارائه شده است، اما در اعداد رینولدز بالا ویسکوزیته موثر برابر ویسکوزیته توربولانسی µ_t می­باشد که از رابطه (۳-۱۰) بدست می ­آید.
(‏۳‑۱۰)
در این روابط C_µ ثابت آزمایشگاهی بوده و برابر ۰۸۴۵/۰ می­باشد. α_k و α_ε اعداد پرانتل مربوط به k و ε می­باشند که در اعداد رینولدز بالا با یکدیگر برابر بوده و تقریبا دارای مقدار ۳۹۳/۱ می­باشند. همچنین C_1ε و C_2ε ثابت­های معادلات می­باشند که به ترتیب برابر ۴۲/۱ و ۶۸/۱ می­باشند. (Zhang et al., 2011)
مدل SST k- به منظور آمیختن روش k- ( که در نواحی نزدیک دیواره خوب عمل می­ کند) و k-ε (که در نواحی دور از دیواره خوب عمل می­ کند) ارائه شده است. بعبارتی این مدل به طور همزمان می ­تواند از توانایی مدل k- برای احتساب نواحی رینولدز پایین و توانایی مدل k-ε برای احتساب نواحی رینولدز بالا بهره گیرد. این مدل بسیار شبیه به مدل Standard k- می­باشد اما به دلیل داشتن مزایایی مثل اصلاح معادله ، استفاده از تابع آمیختگی جهت بهره بردن از توانایی­های دو مدل k-ε و k-، لحاظ کردن اثرات انتقال تنش­های برشی اصلی جریان و تغییر مقادیر ثابت معادلات، از مدل Standard k- دقیق­تر بوده و به نسبت آن برای گروه بزرگتری از جریان­ها کاربرد دارد.
معادله انرژی جنبشی توربولانسی (k) و معادله نرخ استهلاک مخصوص آن () و روابط وابسته دیگر به کار رفته در این مدل توربولانسی، به ترتیب در روابط (۳-۱۱)، (۳-۱۲)، (۳-۱۳) و (۳-۱۴) ارائه شده ­اند. (Fluent 6.3 User’s Guide, 2006)
(‏۳‑۱۱)
(‏۳‑۱۲)
در روابط فوق G_k و G به ترتیب بیانگر منبع تولید انرژی جنبشی توربولانسی و فرکانس توربولانسی می­باشند که از روابط (۳-۱۳) و (۳-۱۴) بدست می­آیند.
(‏۳‑۱۳)
(‏۳‑۱۴)
و نیز به ترتیب از روابط زیر (۳-۱۵) و (۳-۱۶) بدست می­آیند.
(‏۳‑۱۵)
(‏۳‑۱۶)
که در آن وسیکوزیته توربولانسی جریان می­باشد.
در این روابط و اعداد پرانتل مربوط به انرژی جنبشی توربولانسی و فرکانس توربولانسی بوده که با یکدیگر برابر و دارای مقدار ۲ می­باشند.

تحلیل جریان چند فازی به روش MIXTURE

تعداد زیادی از جریان­های فرآیندی، مخلوطی از فازها هستند. فازهای فیزیکی مواد شامل گاز، مایع و جامد است. اما مفهوم فاز در سیستم جریان چند فازی به معنی گسترده­تری به کار برده می­ شود. در جریان چند فازی، یک فاز قسمتی از جریان است که قابلیت تفکیک آن وجود دارد و نسبت به میدان پتانسیلی که در آن قرار می­گیرد پاسخ داده و با سایر فازها برهمکنش دارد. مثلا ذرات جامد با اندازه­ های مختلف از همان ماده را می­توان به عنوان فازهای متفاوت در نظر گرفت چون هر مجموعه ذرات با اندازه یکسان دارای عکس­العمل دینامیکی مشابه به میدان جریان خواهند داشت. رژیم­های جریان چند فازی را می­توان به چهار دسته کلی گاز- مایع یا مایع- مایع، گاز- جامد، مایع- جامد و جریان­های سه فازی تقسیم کرد.