انتخاب صفحه

مقدمه

جنبه فیزیکی پدیده انتقال درابعاد ماکروسکوپی،بااستفاده ازقوانین حرکت نیوتن واصول اساسی قوانین بقای جرم،ممنتم،انرژِ وگونه های شیمیایی قانون مند شده است.براساس طبیعت مسئله وکمیت های مورد نظر،این مفاهیم اساسی رامیتوان بصورت معادلات جبری،دیفرانسیلی ویاانتگرالی بیان نمود.شبیه سازی عددی ازجمله تکنینک هایی است که معادلات انتقال حاکم رابا معادلات جبری جایگزین کرده ویک توصیف عددی ازپدیده ها رادرفضا ویادامنه ها محاسباتی فراهم میکند.صرفنظر ازطبیعت مسئله شبیه سازی عددی مستلزم داشتن مهارت کافی درزمینه های مربوطه ازجمله محاسبات عددی می باشد.تمام مهندسان ازیکی ازسه روش تجربی،حل دقیق وحل عددی برای یافتن مقادیر کمیت های مسائل تعریف شده استفاده میکنند.شبیه سازی عددی روشی مناسب برای ارائه کمیت های معادلات انتقال می باشد.معمولا درروش های عددی مسائل بصورت سعی وخطا وباتکرار بسیار زیادحل میشود.بدیهی است که انجام این کار تنها بااستفاده ازکامپیوتر امکان پذیراست.پیشرفت تکنیک های حل عددی وگسترش دامنه کاربرد آن برای مسائل پیچیده ترباپیشرفت فناوری های سخت افزاری ونرم افزاری ارتباطی مستقیم دارد.استفاده از ابرکامپیوترها و پردازشگرهای موازی درشبیه سازی عددی،مثال بارزی برای اثبات این ادعا است.

فهرست مطالب

چکیده     1

فصل اول:مقدمه ای برروش های عددی

1-1-تاریخچه       3

1-2-CFD چیست؟         6

1-3-نقش CFD در دنیای فناوری مدرن امروزی     7

1-4-جایگاهCFD در دانشگاه وصنعت ایران    9

قابلیت و محدودیت نرم افزار فلوئنت در حل مسائل سیالاتی و انتقال حرارتی1

فصل دوم:نرم افزارهایCFD

2-1-نرم افزارهایCFD مبتنی بر روش تفاضل محدود       13

2-1-1-نرم افزار FLOW-3Dا           13

2-1-2-نرم افزار SINDA/FLUINTا               14

2-2-نرم افزارهایCFD مبتنی بر روش حجم محدود   14

2-2-1-نرم افزار FLUENTا         15

2-2-2-نرم افزار STAR-CDا           15

2-2-3-نرم افزار CFD-FASTRAN/CFD-ACE+ا               17

2-2-4-نرم افزارهای سری Floا         19

2-2-5-نرم افزارBANFF/GLACIERا           20

2-2-6-نرم افزار FIREا         20

2-2-7-نرم افزار FLOTHERMا           21

2-2-8-نرم افزار COOLITا                 22

2-2-9-نرم افزارFlo++ا             22

2-2-10-نرم افزارVISCUSا         22

2-2-11-نرم افزارSHIPFLOWا             23

2-3-نرم افزار CFD مبتنی برروش المان محدود       23

2-3-1-نرم افزار FIDAPا     23

2-3-2-نرم افزار POLYFLOWا         24

2-3-3-نرم افزارCAMRADا                     24

2-3-4-نرم افزارADINA-Fا             24

2-3-5-سایرنرم افزارها           24

2-4-خلاصه         25

قابلیت و محدودیت نرم افزار فلوئنت در حل مسائل سیالاتی و انتقال حرارتی2

فصل سوم:آشنایی با نرم افزار فلوئنت

3-1-توانائی های جدید نسخه های سری 5 نرم افزار فلوئنت       32

3-2-توانائی های جدید نسخه های سری 6 نرم افزار فوئنت         36

3-2-1-محدودیت های نرم افزار فلوئنت       37

3-3-نگاهی گذرا به چگونگی استفاده ازنرم افزار فلوئنت     38

3-3-1-چگونگی شبیه سازی جریان به روش CFDا           38

3-3-2-راه اندازی نرم افزار فلوئنت      40

قابلیت و محدودیت نرم افزار فلوئنت در حل مسائل سیالاتی و انتقال حرارتی3

فصل چهارم:شبکه بندی

پس از مدل سازی هندسی، لازمست که قلمرو فیزیکی به المان های مناسب تقسیم گشته (شبکه بندی شود) و معادلات حاکم براساس شبکه تولید شده گسسته سازی شود. نرم افزار فلوئنت توانایی شبیه سازی دامنه های هندسی متشکل از انواع شبکه ها را دارد. شبکه های تولید شده توسط نرم افزارهای متعددی که فلوئنت را پشتیبانی می کند، پس از فراخوانی در فلوئنت می تواند تصحیح گشته و یا اینکه بهینه شود. در این فصل انواع شبکه های قابل استفاده در فلوئنت به همراه معیارهای انتخاب شبکه مناسب، راهکارهای متعدد کسب اطلاعات مختلف نظیر تعداد المان ها، وجوه و گره های شبکه، حافظه مورد نیاز، تصحیح اندازه دامنه محاسباتی و غیره در این فصل مورد بررسی قرار گرفته است.

4-1-ساختار هندسی شبکه       42

4-1-1-انتخاب شبکه مناسب       46

4-1-2-زمان راه اندازی مسئله برای شبیه سازی جریان       47

4-1-3-هزینه تمام شده محاسبات       47

4-1-4-انتشار عددی       48

4-2-ملزومات وملاحظات شبکه/هندسه        49

4-2-1-ملزومات شبکه/هندسه               49

مهمترین اصل در مدلسازی هندسی و شبکه بندی، شناخت صحیح از رژیم جریان، قلمرو فیزیکی مورد محاسبه و هدف از حل مسئله می باشد. باید توجه داشت که مواردی نظیر ویژگی های رژیم جریان، مفروضات اعمال شده، اطلاعات مورد نیاز و بسیری دیگر به طور مستقیم در چگونگی مدلسازی و شبکه بندی دامنه محاسباتی نقش غیر قابل انکاری را بازی می کند. برای درک بیشتر، چند نکته زیر عنوان شده است:

– برای شبیه سازی جریان های متقارن هندسه متقارن محوری باید طوری انتخاب شود که محور تقارن آن همان محور x دستگاه مختصات کارتیزن، برای مدلسازی باشد (شکل 4-13).

– برای مرزهای پریودیک، نواحی پریودیکی باید از شبکه های کاملاً مشابه با یکدیگر برخوردار باشد. اگرچه نرم افزارهای GAMBIT و TGrid توانایی ساختن مرزهای پریودیکی صحیح را دارند، اما نرم افزارهایی نظیر GeoMesh و اغلب پکیج های CAD توانایی انجام چنین کاری را ندارند. قابل ذکر است که با نرم افزار TGrid از مکانیزمی برای ساخت مرزهای پریودیک مناسب از شبکه های بی سازمان با المان های مثلثی از نرم افزارهای GeoMesh و پکیج های CAD برخوردار است. در صورت مشابه بودن شبکه مرزهای پریودیک در نرم افزارهای GeoMesh و CAD با استفاده از دستور make-periodic می توان مرزهای پریودیک را تعریف نمود.

4-2-2-کیفیت شبکه   50

4-2-3-چگالی گره ها وتراکم شبکه     50

4-2-4-همواری شبکه       51

4-2-5-شکل المان       52

شکل المان از نظر تابیدگی و نسبت منظری (نسبت بلندترین طول ضلع (وجه) المان به کوتاه ترین ضلع (وجه) المان) نیز نقش مهمی در دقت نتایج محاسبه شده بازی می کند. سلول های با تابیدگی شدید موجب کاهش دقت و افزایش ناپایداری در حل مسئله می گردد. در حالیکه نسبت منظری زیاد تنها موجب کاهش دقت شده و به ندرت روند حل جریان را ناپایدار می کند. هر چه در المان های شبکه نسبت منظری به یک نزدیک تر باشد، دقت حل افزایش پیدا می کند. به طور کلی مقدار معقول برای نسبت منظری نسبت 5 به 1 می باشد به جز در موارد خاص مانند شبکه تولید شده در لایه مرزی که در آنجا پارامترهای دیگر نظیر تعداد المان ها نیز مطرح می شود. البته تابیدگی المان ها در مسائل سه بعدی مطرح می باشد. نکته دیگر زوایای رئوس المان می باشد. مثلاً برای شبکه های دو بعدی بهتر است که هر یک از زوایای المان های چهار ضلعی به سمت 90 درجه و هر یک از زوایای المان های سه بعدی به سمت 60 درجه سوق پیدا کند.

 

4-2-6-وابستگی میدان-جریان         52

4-3-شبکه های منطبق نشده       52

4-3-1-محاسبه جریان درشبکه های تطبیق نشده         53

4-3-2-ملزومات ومحدودیت های شبکه های منطبق نشده         54

4-4-بررسی فایل شبکه     54

4-5-تصحیح فایلهای شبکه     55

فصل پنجم:شرایط مرزی

5-1-کلیات تعریف شرائط مرزی درفلوئنت         57

5-2-ورودی های غیریکنواخت برای شرائط مرزی       58

5-3-ورودی های وخروجی های جریان       58

5-3-1-چگونگی استفاده ازشرایط مرزی         58

5-3-2-تعیین پارامترها آشفتگی       59

در رژیم های جریان آشفته لازم است مقادیر اسکلر مربوط به پارامترهای آشفتگی در مرزهای ورودی و خروجی و همچنین مرز بی نهایت، مشخص شود. نرم افزار فلوئنت نیز از این قاعده مستثنی نیست. تعیین صحیح مقادیر اسکالر موجب افزایش دقت نتایج محاسبه شده می شود. در این قسمت سعی شده تا راهکارهای موجود در این نرم افزار برای تعریف دقیق پارامترهای اسکالر جریان به کاربر معرفی گردد.

5-3-3-ورودی های فشار وهد هیدرواستاتیک         64

5-3-3-چگونگی تعریف فشار دمای سکون درمرز فشار ورودی       65

5-3-4-تعیین جهت جریان     66

5-4-شرط مرزی سرعت ورودی       67

از شرط مرزی سرعت ورودی برای تعیین سرعت و پارامترهای اسکالر جریان در مرز ورود استفاده می شود. در شرط مرزی سرعت ورودی، خواص سکون سیال ثابت نبوده بلکه بسته به مقدار و توزیع سرعت در ورودی تغییر می کند. از این شرط مرزی تنها شبیه سازی جریان های تراکم ناپذیر استفاده می شود. چرا که در جریان های تراکم پذیر شرایط سکون می تواند به هر اندازه ای افزایش یافته به طوریکه ممکن است منجر به کسب نتایج غیرفیزیکی شود. همچنین ممکن است در مواردی از شرط مرزی سرعت ورودی به عنوان شرط مرزی در خروج جریان استفاده شود (در این صورت از پارامترهای اسکالر تعیین شده نقشی در محاسبات ندارد). در چنینی مواردی باید از صحت پیوستگی جریان در تمام دامنه محاسباتی مطمئن بود.

5-4-1-ورودی ها درشرط مرزی سرعت ورودی     67

5-4-2-تعیین سرعت         68

5-5-شرط مرزی دبی جرمی ورودی         69

5-5-1-ورودی ها درشرط مرزی دبی جرمی ورودی     69

5-6-شرط مرزی دریچه ورودی     70

5-6-1-ورودیها درشرط مرزی درچه ورودی       71

5-7-شرط مرزی فن ورودی       72

5-7-1-ورودی ها درشرط مرزی فن ورودی         72

5-8-شرط مرزی فشار خروجی         73

5-8-1-ورودی ها درشرایط مرزی فشار خروجی       73

5-9-شرط مرزی فشار در بینهایت         74

از شرط مرزی فشار در بی نهایت برای مدلسازی شرایط جریان آزاد در مرز بی نهایت نظیر عدد ماخ و سایر پارامترهای استاتیکی، استفاده می شود. این شرط مرزی به عنوان شرط مرزی مشخصه ها نیز نامیده می شود. تنها در شبیه سازی جریان خارجی تراکم پذیر که چگالی از معادله گازهای کامل محاسبه می گردد، از شرط مرزی مذکور استفاده می شود. نکته دیگر اینکه مرز بی نهایت باید در فاصله مناسبی نسبت به جسم قرار گرفته باشد. به عنوان مثال برای شبیه سازی جریان حول یک ایرفویل لازم است که مرز بی نهایت در شعاع بیست برابر طول وتر ایرفویل واقع گردد. به طور کلی مکان مرز بی نهایت طوری تعیین گردد که گرادیان های جریان در آن ناچیز باشد.

5-9-1-ورودی های درشرط مرزی فشار در بی نهایت         75

5-9-2-تعیین سایر پارامترها آشفتگی         75

5-10-شرط مرزی جریان خروجی     76

5-10-1-رفتار نرم افزار فلوئنت درمرزهای جریان خروجی     76

5-11-شرط مرزی جریان جرمی انشعابی       77

5-12-شرط مرزی دریچه خروجی     77

5-13-شرط مرزی فن خروجی       78

5-14-شرط مرزی دیواره         78

5-14-1-ورودی ها درشرط مرزی دیواره         78

5-14-2-تصحیح قانون دیواره برای زبری سطح           79

5-14-3-تنظیم پارامترهای زبری         80

5-14-4-تعریف سایر پارامتردرشرط مرزی دیواره         81

5-15-شرط مرزی شار حرارتی     82

5-16-شرط مرزی دما ثابت       83

5-17-شرط مرزی انتقال حرارت جابجایی   83

5-18-شرط مرزی انتقال حرارت تابشی خارجی         83

5-19-شرط مرزی ترکیب انتقال حرارت تابشی وجابجایی     84

5-20-شرط مرزی تقارن     84

5-20-1-مثالهایی ازشرائط مرزی تقارن         84

5-21-شرط مرزی پریودیک         85

طبیعت جریان و یا انتقال حرارت در بعضی از دستگاه ها از ماهیت پریودیکی (تناوبی) برخوردار است. به عبات دیگر خصوصیات جریان و یا چگونگی انتقال حرارت در این نوع دستگاه ها به طور متناوب تکرار می شود. به عنوان مثال خصوصیت جریان در بین پره های داخل فن ها، پمپ ها، کمپرسورها و توربین های محوری مشابه یکدیگر می باشد. در چنین مسائلی استفاده از شرط مرزی پریودیک در کاهش زمان محاسبه و همچنین حافظه مورد نیاز بسیار مؤثر است. با استفاده از شرط مرزی پریودیک، کافی است تنها جریان حول یک پره شبیه سازی شده و نتایج بدست آمده را برای سایر پره ها نیز در نظر گرفت. مهمترین موارد استفاده از شرط مرزی پریودیک در شبیه سازی جریان در داخل توربوماشین های محوری می باشد.

در نرم افزار فلوئنت دو نوع شرط مرزی پریودیک قابل استفاده است. در نوع اول افت فشار در سطوح پریودیک منظور نمی شود. در نسخه 4 این نرم افزار، شرط مرزی مذکور به عنوان شرط مرزی Cyclic تعریف شده است. در نوع دوم افت فشار نیز در نظر گرفته شده و بنابراین می توان جریان پریودیک کاملاً توسعه یافته را نیز شبیه سازی نمود. در نسخه 4 نرم افزار فلوئنت نوع دوم شرط مرزی پریودیک با عنوان شرط مرزی Periodic تعریف شده است. در نسخه های بالاتر این نرم افزار هر دو نوع شرط پریودیک با عنوان شرط مرزی Periodic مشخص شده است.

5-21-1-مثالهایی ازمرزهای پریودیک       86

5-22-شرائط مرزی تقارن محوری     88

5-23-شرائط سیال     88

5-24-ورودیهای نواحی پیوستگی سیال       89

5-24-1-تعریف نوع سیال       89

5-24-2-تعریف ترم های چشمه     89

5-24-3-تعریف یک ناحیه آرام     90

5-24-4-تعریف محور دوران       90

5-24-5-تعریف حرکت ناحیه سیال       90

قابلیت و محدودیت نرم افزار فلوئنت در حل مسائل سیالاتی و انتقال حرارتی5

فصل ششم:حل معادلات حاکم

6-1- خطی سازی:ضمنی وصریح               94

6-2-گسسته سازی معادلات           96

6-2-1-روش تفاضل پیشرو مرتبه اول    98

6-2-2-روش پیشرو مرتبه دوم         98

6-2-3-روش QUICKا             98

6-2-4-گوپلینگ سرعت-فشار       99

6-2-5-روش چند شبکه       100

قابلیت و محدودیت نرم افزار فلوئنت در حل مسائل سیالاتی و انتقال حرارتی6

فصل هفتم:شبیه سازی جریان های آشفته

7-1-آشفتگی       101

تمام جریان هایی که در مهندسی عملی به حساب می آیند، اعم از موارد ساده نظیر فواره های دو بعدی، دنباله ها، جریان های لایه مرزی لوله و صفحه تخت و یا موارد خیلی پیچیده سه بعدی از یک عدد رینولدز معین بالاتر ناپایدار می باشد. در اعداد رینولدز پایین جریان آرام است. در اعداد رینولدز بالا مشاهده می شود که جریان آشفته می شود، به طوریکه یک حالت تصادفی از حرکت در جایی که سرعت و فشار به طور پیوسته درون بخش های مهمی از جریان نسبت به زمان تغییر می کنند گسترش می یابد. اگر نگوییم بیشترین ولی اغلب جریان های با اهمیت مهندسی آشفته هستند، لذا منطقه جریان آشفته فقط از نظر تئوری مهم نیست. مهندس  سیالات احتیاج به ابزار قابلی دارد که بیانگر اثرات آشفتگی باشد.

در مقادیر عدد رینولدز بالاتر از بحرانی (Rcr) یک سری حوادث اتفاق می افتد که نهایتاً سبب تغییرات جدی در رفتار جریان می شود. در نهایت رفتار جریان تصادفی و نه منظم شده و حتی با شرایط مرزی ثابت حرکت کاملاً غیر دائمی می شود. سرعت و سایر خواص جیان به صورت تصادفی و نامنظم تغییر می کند این منطقه ناحیه جریان آشفته نامیده می شود. طبیعت تصادفی جریان آشفته مانع از محاسبات و بررسی کامل حرکت همه ذرات سیال می شود.

ذرات سیال که در ابتدا در فاصله های زیادی گسترده شده اند، می توانند با حرکت های چرخشی به هم نزدیک گردند. در نتیجه حرارت، جرم و اندازه حرکت به صورت مؤثری تغییر می کند. برای مثال یک نوار رنگ که در یک نقطه از جریان آشفته قرار داده شده است به سرعت در امتداد جریان از بین می رود. چنین مخلوط شدن مؤثری باعث افزایش زیاد مقاوم نفوذ جرم اندازه حرکت و حرارت می شود. ادی های آشفته بزرگتر به وسیله تحولی که کشش گردابه نامیده می شود انرژی گرفته و یا می دهند. حضور گرادیان های سرعت متوسط در جریان های برشی، سبب ادی های آشفته چرخشی می شود. در امتداد جریان ادی ها به طور مناسبی کشیده

7-2-خصوصیات جریان آشفته         102

7-3-دلائل پیدایش جریان آشفته             102

7-4-تاثیر آشفتگی برجریان سیال       102

7-5-روش های عددی حل میدان جریان آشفته       103

7-5-1-روش DNSا       103

7-5-2-روش RANSا         103

7-5-3-روش شبیه سازی ادی بزرگ(les)             ا  104

این مدل آشفتگی مربوط به جایی است که معادلات جریان وابسته به زمان برای جریان متوسط و ادی های بزرگ حل می شوند و در آنجا اثرات ادی های کوچک نیز مدل می شوند. این روش مدل خوبی از اثرات آشفتگی را ارائه می دهد.

شبیه سازی ادی های بزرگ اینک در مرحله تحقیق است و در حال حاضر محاسبه یک حالت عمومی بسیار گران است.

پانل fluid

پانل fluid

فصل هشتم:نتیجه گیری و پیشنهادات

8-1-بحث ونتیجه گیری کلی     105

منابع وماخذ

مقایسه بین روش ها

مقایسه بین روش ها

فهرست شکلها

4-1-انواع شبکه های قابل قبول درنرم افزار فلوئنت           43

4-2-شبکه باسازمان مربعی حول یک ایرفویل             44

4-3-شبکه بی سازمان مربعی حول یک ایرفویل         44

4-4-شبکه چند بلوکی باسازمان با المان های چهارضلعی             44

4-5-شبکه باسازمانO شکل باالمان های چهارضعلی         44

4-6-شبکه بی سازمان سطحی روی یک چتر باضخامت صفر       45

4-7-شبکه باسازمانC شکل با المان های چهارضعلی حول یک ایرفویل         45

4-8-شبکه بی سازمان با المالن های مثلثی حول ایرفویل         45

4-9-شبکه سه بعدی چندبلوکی باسازمان         45

4-10-شبکه بی سازمان سه بعدی با المان های هرمی     46

4-11-شبکه بی سازمان سه بعدی باگره های معلق حول یک ایرفویل         46

4-12-شبکه هیبریدی منطبق نشده برای بررسی تقابل مدل روتور واستاتور    46

4-13-مدلسازی هندسی مدل تقارن محوری(محورتقارن منطبق برمحورX دستگاه مختصات کارتزین میباشد)   50

4-14-مرزهای متناظر منطبق برهم باشبکه های منطبق نشده بریکدیگر         53

4-15-مرزهای متناظر وشبکه های هردوناحیه که هیچکدام بریکدیگر منطبق نیست       53

4-16-شبکه های منطبق نشده درمرز تقابل بین دوناحیه   54

5-1-پانل شراط مرزی فشار ورودی             64

5-2-پانل تعیین فشار مرجع             65

5-3-وضعیت وجهت قرارگیری مولفه های مختصات سیستم استوانه ای در دامنه های محاسباتی وسه بعدی وهمچنین مسائل تقارن محوری      67

5-4-پانل تعیین شرط مرزی سرعت ورودی       68

5-5-پانل تعیین شرط مرزی دبی جرمی ورودی       70

5-6-پانل تعیین شراط مرزی دریچه ورودی         71

5-7-پانل تعیین شرط مرزی فن ورودی       73

5-8-پانل تعیین شرط مرزی فشار خروجی     74

5-9-نمونه ای ازپانل تعیین شرط مرزی فشار دربی نهایت،برای جریان غیرلزج         75

5-10-پانل تعیین شرط مرزی جریان خروجی     77

5-11-مثالهایی ازاستفاده از شرط مرزی تقارن برای یک کانال سه بعدی ویک استوانه     85

5-12-مثالهایی ازعدم استفاده ازشرط تقارن برای هندسه های متقارن         85

5-13-چگونگی قرارگرفتن مرزهای پریودیک درشبیه سازی جریان درپره های روتور یک توربین محوری       87

5-14-استفاده ازشرط مرزی پریودیک برای حل میدان جریان درداخل یک ظرف استوانه ای           87

5-15-نمونه ای ازجریان پریودیک انتقالی         87

5-16-استفاده از شرط مرزی تقارن محوری روی محور تقارن یک هندسه متقارن محوری       88

5-17-پانل Fluid(تعریف ناحیه سیال)             89

6-1-مراحل حل معادلات حاکم برجریان باروشSegregatedا         93

6-2-مراحل حل معادلات حاکم برجریان باروش Coupledا             94

6-3-نمایی ازالمان محاسباتی برای نمایش گسسته سازی معادلات انتقال اسکالر       97

6-4-حجم کنترل یک بعدی     99

فهرست جدولها

1-1-عنوان مراکزی که بطور جدی درزمینهCFD فعالیت میکنند   10

2-1-نرم افزارهای معروفیCFD مبتنی برروش حجم محدود       15

2-2-کاربردهای نرم افزارهای سریFloا             20

2-3-نرم افزارهای معروفCFD مبتنی برا روش المان محدود                 25

2-4-فهرست نرم افزارهای دینامیک سیالات محاسباتی(محصولات تجاری)             25

8-1-مقایسه مختصر بین روش های تجربی وتئوری وCFDا           111



مقطع کارشناسی ارشد

بلافاصاله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود.


فایل pdf غیر قابل ویرایش

قیمت25000تومان

قیمت45000تومان