مدلسازی توربوماشین‌ها در نرم‌افزار OpenFOAM

مدلسازی توربوماشین‌ها در نرم‌افزار OpenFOAM

در ادامه مقالات آموزشی مربوط به مهندسی مکانیک گرایش سیالات در این مقاله آموزشی به مدل سازی توربو ماشین ها در نرم افزار OpenFoam می پردازیم . توربوماشین‌ها را می‌توان به عنوان ماشین‌های سیالی دینامیکی طبقه‌بندی نمود . در ماشین‌های سیالی دینامیکی بر خلاف ماشین‌های جابجایی مثبت ، سیال به طور کامل مقید نیست و انرژی بین روتور و سیال انتقال پیدا می‌کند . پمپ‌ها ، فن‌ها ، دمنده‌ها ، کمپرسورها (ماشین‌ّهایی که روی سیال کار انجام می‌دهند) ، توربین‌های هیدرولیکی (آبی) ، توربین‌های گازی و توربین‌های بخار همگی جزء خانواده توربوماشین‌ها به حساب می‌آیند . توربوماشین‌ها در صنایع مختلف از نیروگاهی و پتروشیمی گرفته تا خانگی ، کاربرد وسیعی دارند .

بر این اساس ، تحلیل حرارتی و سیالاتی ، بهینه‌سازی و طراحی صحیح توربوماشین‌ها همواره مورد توجه صنعتگران و جوامع دانشگاهی بوده است . شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی  (CFD)  ، توربوماشین‌ها در دهه اخیر به شدت گسترش یافته است . از میان نرم‌افزارهای موجود ، نرم‌افزار اپن ‌فوم (OpenFOAM) ، سهم منحصر به فردی را دارا می‌باشد . نرم افزار اپن‌‌ فوم جزء نرم‌افزارهای رایگان و متن‌ باز (Open source) است و به همین دلیل دانشجویان و پژوهشگران مخاطبین اصلی آن به حساب می‌آیند که نرم افزار OpenFoam کاربرد فراوانی در تهیه پایان نامه های کارشناسی ارشد , مقالات و پژوهش های علمی دارد که بسیاری از دانشجویان و فارغ التحصیلان از آن استفاده می نمایند .

در  نرم افزار Open Foam ( اپن فوم ) انتخاب حلگر مناسب ، کلیدی‌ترین موضوع برای اجرای یک شبیه‌سازی صحیح می‌باشد . نرم‌افزار OpenFoam با دارا بودن حلگرهای متنوع توانایی خوبی برای شبیه‌سازی توربوماشین‌ها دارد . برخی از این حلگرها که مربوط به جریان غیر قابل تراکم می‌باشند در جدول زیر آورده شده است .

در نرم افزار اپن فوم دو روش برای شبی‌سازی توربوماشین‌ها وجود دارد :

۱- روش قاب چرخان ( MRF)

۲- روش مش لغزان (دینامیک)

در ادامه این مقاله آموزشی فایل‌ها و پوشه‌هایی را که برای شبیه‌سازی یک پروانه با استفاده از حلگر simpleFoam و مدل MRF مورد نیاز هستند ، به طور اجمالی مرور می‌کنیم . از آنجا که هندسه پروانه‌ها نسبتاً پیچیده هستند ، بهتر است به جای استفاده از ابزار blockMesh که با استفاده از نقاط هندسه ، بلوک‌های مورد نیاز را تشکیل می‌دهد (مانند gambit) ، ابتدا هندسه پروانه را با استفاده از نرم‌افزارهایی مانند SolidWorks طراحی نموده و به نرم افزار اپن‌ فوم منتقل کنیم .

در نرم افزار OpenFoam نیز می‌توان از ابزار snappyHexMesh که برای شبکه‌بندی هندسه‌های پیچیده با المان‌های مکعبی استفاده می‌شود ، برای شبکه‌بندی دامنه محاسباتی بهره گرفت . پس از شبکه‌بندی دامنه حل ، نوبت به اعمال شرایط مرزی می‌رسد . عموماً برای شبیه‌سازی یک پروانه ، فایل‌های سرعت  (U) و فشار (P) بایستی در پوشه 0 تنظیم شوند . علاوه بر تعیین ثوابت فیزیکی (ویسکوزیته سینماتیکی) در فایل transportProperties و تنظیم مدل آشفتگی در فایل RASProperties، می‌باستی در فایل MRFZones از پوشه constant، ناحیه MRF را تعیین کنیم . شکل زیر نمونه‌ای از تنظیمات مربوط به فایل MRFZones را نشان می‌دهد .

سپس بایستی در پوشه system ، تنظیمات مربوط به گام زمانی (فایل controlDict) ، روش گسسته‌سازی عددی (fvSchemes) ، و روش حل دستگاه‌های معادلات (fvSlution) را انجام داد . در نهایت با تایپ اسم حلگر simpleFoam در ترمینال لینوکس می‌توان شبیه‌سازی را آغاز نمود . شکل زیر نمونه‌ای از نتایج شبیه‌سازی یک پروانه را با استفاده از نرم‌افزار اپن فوم ( OpenFoam ) نشان می‌دهد . در ادامه این مقاله آموزشی به آشنایی با نرم افزار Turbomachinery CFD پرداخته می شود . 

با وجود قدرت نرم افزار اپن فوم در شبیه‌سازی مسائل توربوماشین‌ها ، در سالیان اخیر نرم‌افزاری تحت عنوان Turbomachinery CFD مورد توجه قرار گرفته که یک بسته نرم‌افزاری متن‌باز بوده و بر مبنای نرم‌افزار اپن فوم گسترش یافته است . Turbomachinery CFD به منظور طراحی و بهینه‌سازی سریع و کارآمد توربوماشین‌ها به وجود آمده است . این نرم‌افزار فرآیند کامل یک شبیه‌سازی عددی از ابتدا (معمولاً CAD) تا انتها (تحلیل CFD و مشاهده نتایج) را شامل می‌شود . Turbomachinery CFD به هیچ نرم‌افزاری وابسته نیست اما به طور کامل با نسخه‌های استاندارد نرم افزار OpenFOAM سازگار است .

برخی از تفاوت‌های موجود میان Turbomachinery CFD، OpenFOAM و سایر نرم‌افزارهای تجاری CFD (مانند Fluent) در جدول زیر نشان داده شده است .