-
سبد خرید شما خالی است!
نمایش منو
سبد خرید شما خالی است!
در ادامه مقالات آموزشی رشته مهندسی مکانیک گرایش سیالات در این مقاله آموزشی به آشنایی با جریان آشفته می پردازیم که امیدواریم برای شما مفید واقع شود. در اینجا یک نگاه سریع به مشخصه اصلی جریان آشفته می‌اندازیم. عدد رینولدز یک جریان نشان دهنده نسبت اندازه نیروی اینرسی به نیروی ویسکوزیته می‌باشد. در آزمایشهای سیستم سیال مشاهده شده است که در رینولدز پایین تر از رینولدز به اصطلاح بحرانی Re جریان آرام و لایه‌های همجوار سیال روی هم می‌لغزند. اگر شرایط مرزی با زمان تغییر نکند جریان پایا است. در مقادیر رینولدز بالاتر از Re به واسطه فرآیندهای اختلاطی شدید تغییرات جدی در رفتار جریان ایجاد می‌شود. در نهایت رفتار جریان تصادفی و نامنظم شده و حتی با شرایط مرزی ثابت کاملاً غیرپایا می‌شود. این منطقه ناحیه آشفته نامیده می‌شود که در شکل زیر نشان داده شده است.
یک نمونه سرعت اندازه‌گیری شده جریان آشفته در شکل زیر نشان داده شده است.
طبیعت تصادفی جریان آشفته مانع از بررسی کامل (لحظه‌ای) حرکت همه ذرات سیال می‌شود. در عوض می توان سرعت آنی یا لحظه‌ای جریان آشفته را به دو بخش مقدار متوسط U و مقدار نوسانی u' (t) تقسیم نمود, بهترین حالت برای مدلسازی جریان آشفته این است که جریان آشفته را با مقدار متوسط خواص جریان (U, V, W, P, …) و خواص آماری نوسان‌ّهای آنها u',v',w', p'و ...) )مشخص کنیم. در جریان آشفته نوسانات آشفته همواره دارای رفتاری سه بعدی می‌باشند. علاوه بر این، مطابق شکل زیر مطالعه جریان‌های آشفته یک ساختار جریان چرخشی را نشان میدهد. این ساختار جریان چرخشی را گردابه یا ادی (Eddy) آشفته می‌نامند.
ذرات سیالی که در ابتدا در فواصل زیادی گسترده شده‌اند، می‌توانند با حرکتهای چرخشی به هم نزدیک گردند. در نتیجه انتقال حرارت، جرم و اندازه حرکت به صورت مؤثری افزایش پیدا می‌کنند. برای مثال مطابق شکل فوق یک نوار رنگ که در یک نقطه جریان آشفته قرار داده شده است به سرعت در امتداد جریان از بین می‌رود. چنین اختلاط مؤثری باعث افزایش زیاد مقادیر نفوذ حرارت، جرم و اندازه حرکت می‌شود (گردابه‌های بزرگتر به وسیله تحولی که کشش گردابه‌ای )Vortex stretching( نامیده می‌شود از جریان سیال انرژی می‌گیرند و یا انرژی از دست می‌دهند. در جریان آشفته، ادیهای کوچک به طور شدیدی توسط ادیهای بزرگتر کشیده شده و توسط جریان متوسط تضعیف میشوند. مطابق شکل زیر انرژی جنبشی از ادیهای بزرگ به ادیهای کوچک و کوچکتر منتقل شده و نهایتا به صورت حرارت تلف می‌شود که به این پدیده آبشار انرژی (Energy cascade) می‌گویند.
شکل فوق مقایسه‌ای میان سه دیدگاه مدلسازی جریان آشفته یعنی دیدگاه‌های LES ,RANS و DNS را نشان میدهد. در دیدگاه سنتی RANS تمام مقیاسهای جریان آشفته با استفاده از مدلهای توربولنسی نظیر k-e ، RSM و ... مدل میشوند. در نتیجه نیازی به استفاده از شبکه‌های بسیار ریز ندارد و به لحاظ محاسباتی کاملاً اقتصادی می‌باشد. در مقابل، دیدگاه حل مستقیم عددی یا به اختصار DNS وجود دارد که تمام مقیاسها تا طول مقیاس کولموگروف را به صورت مستقیم حل می‌کند. از این رو برای در نظر گرفتن تمام جزئیات مربوط به کوچکترین گردابه‌ها نیاز به شبکه بسیار ریز داشته و هزینه محاسبات آن بسیار هنگفت می‌باشد.
بنابراین، با وجود توسعه دانش پردازش موازی و فراهم بودن تجهیزات بسیار قدرتمند در کشورهای پیشرفته، کاربرد دیدگاه DNS فقط محدود به مسائل ساده با رینولدز متوسط به پایین می‌شود. برای حل این مشکل دیدگاه LES، با تعریف اندازه فیلتر در حدود ابعاد بزرگترین گردابه‌ها مقیاسهای بزرگتر از اندازه فیلتر را مستقیماً حل می‌نماید و مقیاسهای کوچکتر از آن را با استفاده از روشهای مختلف مدل می‌کند. این کار دو مزیت دارد. اول اینکه گردابه‌های کوچک در موقعیتهای مختلف رفتاری کم و بیش یکسان از خود نشان می‌دهند و تابع هندسه جریان نیستند. بنابراین، دقت مدلسازی رفتار آنها خیلی بیشتر از دقت مدلسازی کل طیف انرژی خواهد بود.
مزیت دوم است که به دلیل فیلتر کردن معادلات بقاء و استفاده از تکنیک مدلسازی برای مقیاسهای کوچکتر از اندازه فیلتر نیاز به مش بسیار ریز نظیر آنچه که در دیدگاه DNS استفاده میشد نیست. در نتیجه، محاسبات آنها بسیار اقتصادی تر از محاسبات DNS شده و امروزه با توسعه تکنولوژی پردازش موازی امکان کاربرد دیدگاه LES در سیستمهای واقعی و پیچیده وجود دارد.
جریان های آشفته یکی از مباحث مهم در گرایش سیالات می باشد که با استفاده از نرم افزارهای Fluent و OpenFoam می توان به طراحی و شبیه سازی آن پرداخت. هم چنین نرم افزار Fluent و OpenFoam از مهم ترین و پرکاربردترین نرم افزار های مهندسی مکانیک در مقطع کارشناسی ارشد می باشد که بسیاری از دانشجویان و فارغ التحصیلان با استفاده از نرم افزار OpenFoam و Fluent به ارایه مقالات علمی و پژوهشی, پایان نامه های کارشناسی ارشد و پروژه های صنعتی می پردازند.
برای مطالعه بیشتر مقاله های مرتبط با رشته مهندسی مکانیک گرایش سیالات می توانید با کلیک بر روی مقاله های زیر به مقاله مورد نظر هدایت شوید:
آشنایی و راهنمای نصب نرم افزار Matlab
