آشنایی با مدل‌های جریان آشفتگی ترکیبی (Hybrid Turbulence Models)

نویسنده admin 1396/10/06 0 نظر مطالب,
آشنایی با مدل‌های جریان آشفتگی ترکیبی (Hybrid Turbulence Models)

 

آشنایی با مدل‌های جریان آشفتگی ترکیبی (Hybrid Turbulence Models)

 

در مقالات آموزشی گذشته به آشنایی با جریان آشفتگی و آشنایی با مدل های جریان های آشفتگی به طور مفصل پرداخته شد که امیدواریم برای شما مفید واقع شده باشد. در این مقاله آموزشی به آشنایی با مدل های آشفتگی ترکیبی (Hybrid Turbulence Models ) می پردازیم که امیدواریم برای ارایه پایان نامه های کارشناسی ارشد و ارایه مقاله های علمی و پژوهشی برای شما مورد استفاده قرار گیرد.

 

آشنایی با مدل‌های جریان آشفتگی ترکیبی (Hybrid Turbulence Models)

 

مطالبه رو به افزایشی در زمینه‌های مرتبط با CFD به منظور شبیه‌سازی جریان‌های ناپایا وجود دارد. به طور مثال در شاخه هوافضا، نوسانات ناپایا تأثیر قابل توجهی بر مشخصه‌های پدیده واماندگی (Stall) و نیز نیروهای عمل کننده بر روی قسمت‌های مختلف هواپیما دارد. همچنین در مواردی مانند جریان‌های شکل گرفته در موتورهای احتراقی، خنک‌سازی پره‌های توربین گاز، جریان‌های دوفازی و غیره، نیازمند آگاهی از مشخصه‌های نوسانات  ناپایای جریان می‌باشیم.

 

در مسائلی از این دست، استفاده از مدل‌های آشفتگی RANS به تنهایی کافی نمی‌باشد چرا که این مدل‌ها حتی در صورت استفاده از شبکه محاسباتی دقیق و گام زمانی کوچک، قادر به محاسبه دقیق طیف آشفتگی نمی‌باشند. دلیل این امر در ماهیت این مدل‌ها ریشه دارد؛ در دیدگاه RANS نوسانات کلیه خاصیت‌ها صفر در نظر گرفته می‌شود و در نتیجه هیچ گونه اطلاعاتی از نوسانات متغیر ها وارد محاسبات نمی‌گردد؛ همین امر موجب بروز خاصیتی در این مدل‌ها می‌گردد که از آن تحت عنوان اتلاف کنندگی زیاد )High dissipative(، یاد می‌شود.

 

این بدین معنا است که مدل‌های RANS علاقه چندانی به محاسبه خواص ناپایای جریان ندارند؛ مگر اینکه نوسانات و ناپایداری‌های به وجود آمده در جریان بسیار زیاد باشد (مانند بحث رهایی گردابه ها در پشت اجسام جریان‌بند (Bluff bodies)). اکثر مدل‌های ترکیبی (Hybrid models) ، از دیدگاه RANS در نواحی پیوسته جریان (Attached regions( و از خصوصیات دیدگاه LES در نواحی جدا شده جریان (Detached regions( بهره می برند. لازم به ذکر است که در برخی از مدل‌های ترکیبی به طور مستقیم و صریح از معادلات دیدگاه LES استفاده می‌گردد؛ در حالی که در بعضی دیگر با اصلاح معادلات انتقال، به طور ضمنی از ویژگی‌های مربوط به مدل LES استفاده شده و به اصطلاح این مدل‌ها در سبک LES (LES mode( عمل می‌نمایند. از تفاوت‌های اصلی میان مدل‌های مختلف ترکیبی، معیار شناسایی نواحی مختلف جریان می‌باشد،که بر این اساس مدل‌های گوناگون ترکیبی توسعه پیدا نموده‌اند.

 

یکی از دیدگاه‌ها به این صورت است که بر مبنای یک سطح مشترک تعریف شده، قسمتی از میدان جریان توسط معادلات RANS و قسمت دیگر توسط معادلات LES پوشش داده می‌شود؛ به این دیدگاه، رویکرد ناحیه‌‌ای )Zonal approach( اطلاق می‌گردد. رویکرد دوم با معیار قرار دادن یکی از کمیت‌های موجود در جریان و با استفاده از شبکه‌بندی موجود، به صورت هموار مشخص می‌نماید که در چه قسمتی از میدان جریان می‌بایستی از دیدگاه RANS و در چه قسمتی از دیدگاه LES استفاده گردد؛ این دیدگاه تحت عنوان رویکرد غیر ناحیه‌ای (Non-zonal approach)  شناخته می‌شود.

 

مزیت دیدگاه ناحیه‌ای، کنترل کامل کاربر بر روی دیدگاه‌های مدلسازی جریان آشفته و روند حل مسأله می‌باشد؛ این موضوع در رابطه با جریان‌هایی که رفتار آنها قابل پیش‌بینی و شناخته شده است؛ کمک زیادی به کاربر می‌نماید. از طرفی این رویکرد نیازمند تعریف سطح مشترکی در میدان جریان می‌باشد که بر مبنای آن معادلات RANS و یا LES مورد استفاده قرار گیرند که در اغلب موارد تعیین این مرز دشوار می‌باشد. در طرف مقابل استفاده از رویکرد غیر ناحیه‌ای به اطلاعات از پیش تعریف شده بسیار کمتری از میدان جریان نسبت به روش ناحیه‌ای نیاز دارد؛ البته عدم کنترل دقیق در استفاده از مدل‌های آشفتگی، در دیدگاه غیر ناحیه‌ای می تواند منجر به ایجاد نتایج غیر قابل پیش‌بینی از خصوصیات میدان جریان گردد.

 

اولین مدل ترکیبی و SRS )Scale Resolving Simulation(، در سال ۱۹۹۷ توسط Spalart و همکاران تحت عنوان  DESمعرفی گردید و بسیار مورد توجه مهندسان و صنعتگران قرار گرفت. این مدل که در زمره دیدگاه‌های ناحیه‌ای طبقه‌بندی می‌شود، بر مبنای دقت شبکه‌بندی، میدان حل را به دو قسمت RANS و LES تقسیم می‌نماید. در این مدل، محاسبات نواحی مجاور دیواره تماماً توسط مدل RANS و در مناطق دور از دیواره، توسط مدل LES انجام می‌گیرد. مدل DES بر مبنای مقایسه طول مشخصه محاسبه شده از مدل آشفتگی با اندازه سلول محاسباتی عمل می‌نماید و به منظور تعویض مدلسازی از حالت RANS به LES، از معیار زیر استفاده می‌نماید:      

 

                                                                    

در رابطه فوق بیشترین اندازه طول سلول محاسباتی می‌باشد و CDES به عنوان محدود کنندهDES  (DES-limiter) شناخته می‌شود. معادله انرژی جنبشی آشفته (k) در مدل DES به صورت زیر می‌باشد:

 

                                                                                                                                                 

هدف مدل DES ، مدلسازی میدان حل توسط مدل‌های RANS در نواحی پیوسته جریان و انتقال روش حل به مدل‌های LES در نواحی جداشده می‌باشد. این امر رابطه مستقیمی با دقت شبکه‌بندی دامنه حل و نیز گام زمانی اتخاذ شده دارد. در طی تحقیقات صورت گرفته بر روی مدل SDE معلوم گردیده است که یک منبع بالقوه خطا در این مدل، هنگامی که شبکه‌بندی نزدیک دیواره بسیار ریز باشد بروز می‌نماید؛ به طوری که با فعال شدن ناخواسته CDES ، ویسکوزیته آشفته کاهش یافته و به تبع آن عملکرد مدل RANS دچار اختلال می‌گردد.

 

این امر در نهایت منجر به پدیده‌ای تحت عنوان جدایش القایی شبکه  (GIS) می‌گردد. به منظور رفع این محدودیت، مدلDES ، توسط Spalart در سال ۲۰۰۶  مورد بازبینی قرار گرفت و مدل جدیدی تحت عنوان DDES  (Delayed Detached-Eddy Simulation) شکل گرفت. در این مدل جمله مربوط به اتلاف در معادله انرژی جنبشی آشفته k ، به صورت زیر بازنویسی می‌گردد:

 

 

تابع FDDES طوری پی‌ریزی شده است که مقدار یک را در ناحیه داخل لایه مرزی و مقدار صفر را در خارج آن به دست دهد. از اساسی‌ترین و چالش برانگیزترین مشکلات پیش روی مدل DDES مسأله ای تحت عنوان ناحیه خاکستری (Gray area) می‌باشد.

جریان آشفتگی یکی از مباحث مهم در رشته مهندسی مکانیک گرایش سیالات می باشد که با آشنایی با آن می توانید به ارایه مقالات آموزشی و پژوهشی, پایان نامه های کارشناسی ارشد بپردازید.

با استفاده از نرم افزارهای Fluent و OpenFoam که از مهم ترین نرم افزار های کاربردی در رشته مهندسی مکانیک در مقطع کارشناسی ارشد می باشند می توان به طراحی و شبیه سازی جریان های آشفته پرداخت.

 

برای آشنایی بیشتر با مقالات علمی رشته مهندسی مکانیک می توانید با کلیک بر روی عنوان های زیر به مقالات مورد نظر هدایت شوید :

 

- آشنایی با نرم افزار Autodyn

- آشنایی و راهنمای نصب نرم افزار Matlab

- آشنایی با مفهوم بالستیک

- آموزش نصب نرم افزار CFX

 

 

 

 

 

افزودن نظر