مدل سازی توربوماشین ها در نرم افزار Fluent

مدل سازی توربوماشن ها در نرم افزار Fluent

پس از آموزش مقدماتی و نحوه نصب نرم افزار مهندسی Fluent در این مقاله آموزشی به یکی دیگر از قابلیت های نرم افزار Fluent یعنی مدل سازی توربوماشین ها در نرم افزار Fluent می پردازیم . نرم افزار Fluent یکی از پرکاربردترین و مهم ترین نرم افزار ها در مقطع کارشناسی ارشد در رشته مهندسی مکانیک می باشد که بسیاری از دانشجویان کارشناسی ارشد با استفاده از نرم افزار Fluent به ارایه مقالات علمی و پژوهشی , پایان نامه های کارشناسی ارشد و پروژه های صنعتی می پردازند .

  ماشین‌های سیالی را به طور کلی می‌توان به صورت جابجایی مثبت و دینامیکی طبقه‌بندی کرد . در ماشین‌های جابجایی مثبت ، انتقال انرژی بر اثر تغییر حجم روی می‌دهد و این تغییر حجم نیز ناشی از حرکت مرز مجرایی است که سیال در آن مقید است . وسیله‌ای را که در آن جریان توسط تیغه‌های متصل به یک عضو چرخان هدایت می‌شود، توربوماشین می‌گویند . در توربوماشین‌ها بر خلاف ماشین‌های جابجایی مثبت ،‌ سیال به طور کامل مقید نیست و تمام برهم‌کنش از تأثیر روتور بر روی جریان سیال ناشی می‌شود . توربوماشین‌هایی را که به جریان مایعات انرژی می‌دهند پمپ و به توربوماشین‌هایی که به گاز یا بخار انرژی می‌دهند فن ، دمنده یا کمپرسور می‌گویند . در مقابل ، به ماشین‌هایی که از جریان سیال ، انرژی دریافت می‌کنند ، توربین می‌گویند .

در توربین‌های هیدرولیکی ، سیال عامل ، آب و در توربین‌های گازی و بخار ، سیال عامل ، دود خروجی از محفظه احتراق و بخار خروجی از بویلر می‌باشد . طبق نظر جاپیسکی ، توربوماشین‌ها دارای بازار ۴۰۰ میلیون دلاری در دنیا هستند . همچنین ، بر اساس مطالعات صورت گرفته ، تخمین زده می‌شود که پمپ‌ها به تنهایی چیزی در حدود ۵ درصد کل انرژی تولیدی آمریکا را مصرف می‌کنند . بر این اساس ، تحلیل سیالاتی و حرارتی جریان ، بهینه‌سازی و طراحی صحیح توربوماشین‌ّها از مسائل مهم پیش روی جوامع مهندسی به شمار می‌آید .

امروزه شبیه‌سازی جریان با استفاده از تکنیک دینامیک سیالات محاسباتیCFD ، از ارکان جدایی‌ناپذیر طراحی و تحلیل توربوماشین‌ها می‌باشد . در میان نرم‌افزارهای متنوع موجود در بازار ، نرم‌افزار ANSYS Fluent را می‌توان به عنوان نرم‌افزاری پیشرو جهت تحلیل توربوماشین‌ها به حساب آورد .  

• انتخاب مرجع مختصات

نرم افزار Fluent معادلات جریان سیال و انتقال حرارت را به صورت پیش‌فرض ، در مرجع مختصات ثابت حل می‌کند ، اما در بسیاری از مسائل در استفاده از مرجع مختصات ثابت مشکلات زیادی وجود ‌دارد . در این موارد ، حل معادلات در مرجع مختصات متحرک بسیار مفید خواهد بود . این قبیل مسائل نوعاً شامل اجزاء محرک (مانند پره‌های دوار ، پروانه ، و انواع مشابهی از سطوح دوار) می‌باشند . در بیشتر موارد ، در صورتی که این مسائل توسط مرجع ثابت تحلیل شوند باید قطعات متحرک به صورت ناپایا حل گردند . اما می‌توان جریان حول اجزاء محرک (با قیدهای کارتزین) را با در نظر گرفتن مرجع متحرک به صورت پایا حل نمود .

• جریان در مرجع مختصات دوار

دلیل اصلی به کارگیری مرجع مختصات دوار این است که مسائلی را که در مرجع مختصات ثابت ناپایا هستند را بتوان با در نظر گرفتن مرجع متحرک به صورت پایا حل کرد .

• جریان در مرجع‌های مختصات چندگانه

مسائل زیادی وجود دارند که شامل اجزایی با حرکت‌های متفاوت هستند و یا شامل صفحات بدون حرکت و ثابت می‌باشند . بنابراین ، استفاده از مرجع مختصات ثابت منفرد ممکن نمی‌باشد . در این نوع مسائل ، می‌توان مدل را به چند ناحیه سیال یا جامد تقسیم کرد ، که مرزهای سطح مشترک این ناحیه‌ها آنها را از هم جدا می‌کند . بنابراین ، ناحیه‌هایی که شامل اجزاء‌ متحرک هستند ، می‌توانند توسط معادلات مرجع مختصات متحرک و اجزای ثابت نیز توسط معادلات مرجع مختصات ثابت حل شوند . نرم‌افزار Fluent به دو روش می‌تواند معادلات را در سطح مشترک حل نماید :

الف) مرجع مختصات چندگانه دوار :

1. مدل مرجع مختصات چندگانه (MRF)
2. مدل صفحه مرکب (MPM)

ب‌) مدل مش لغزان (SMM)

هردو روش MRF و صفحه مرکب دارای تقریب حالت پایا هستند و تفاوت آنها در روشی است که این مدلها با شرایط در سطح ‌مشترک رفتار می‌کنند . از طرف دیگر ، روش مدل مش لغزان به دلیل حرکت شبکه در زمان، ذاتاً ناپایا است .

• مدل مرجع مختصات چندگانه (MRF)

ممکن است روش MRF ساده‌ترین روش برای مدل‌های چند ناحیه‌ای باشد . این روش را می‌توان با تقریب ، حالت پایا در نظر گرفت و در آن ناحیه‌های مختلف می‌توانند سرعت‌های متفاوتی ، به طور مثال انتقالی و یا دورانی داشته باشند . جریان در هرکدام از ناحیه‌های متحرک با استفاده از معادلات مرجع مختصات متحرک حل می‌شود . اگر مرجع ثابت باشد ، معادلات به همان شکل اصلی خودشان یعنی حالت با مرجع ثابت حل می‌شوند .

در سطح مشترک بین ناحیه‌ها یک مرجع مختصات محلی وجود دارد تا امکان آوردن متغیرهای جریان از یک ناحیه به ناحیه‌های دیگر وجود داشته‌ باشد و بتوان فلاکس‌ها را در مرز بین ناحیه‌های مجاور محاسبه کرد . باید توجه شود که روش MRF حرکت نسبی ناحیه متحرک را نسبت به ناحیه مجاور (که ممکن است متحرک و یا ثابت باشد) در نظر نمی‌گیرد . شبکه برای محاسبه ثابت باقی می‌ماند . این مانند متوقف کردن اجزاء متحرک در یک موقعیت خاص و دیدن لحظه‌ای میدان جریان با روتور در آن موقعیت است .

بنابراین ، MRF غالبا به عنوان  روش روتور ساکن شناخته می‌شود . در حالی که این روش به طور واضح یک تقریب است ، با این حال می‌تواند مدل قابل قبولی از جریان را برای بسیاری از عملکردها ارائه دهد . برای مثال مدل MRF می‌تواند برای عملکردهای توربوماشین ها استفاده شود که در آنها برهم‌کنش روتور- استاتور نسبتاً ضعیف است و جریان در بین ناحیه‌های متحرک و ثابت چندان پیچیده نیست . برای مثال در تانک‌های مخلوط‌کن ، به دلیل اینکه برهم‌کنش بین پروانه-پوسته نسبتاً ضعیف است و تأثیر این انتقال در مقیاس بزرگ وجود ندارد ، بنابراین می‌توان از مدل MRF استفاده‌ نمود .

شکل زیر مثالی را نشان می‌دهد که می‌توان در آن از رویکرد MRF استفاده نمود .

در شکل صرف نظر از روتور و دیواره‌های ساکن ، بفل‌های ساکنی درون ناحیه سیال وجود دارند . بنابراین ، سطح مشترکی تعریف شده است که سطح دورانی حول محور روتور ، به منظور تشخیص بین نواحی متحرک و ساکن می‌باشد . مدل MRF بایستی زمانی استفاده شود که جریان پیچیده نیست و یا هنگامی که بر‌هم‌کنش بین روتور و استاتور در توربین ضعیف است .

در مقاله آموزشی دیگری نیز به اهمیت نرم افزار مهندسی OpneFoam در مقطع کارشناسی ارشد در رشته مهندسی مکانیک به مدل سازی توربوماشین ها در نرم افزار OpenFoam نیز پرداخته شد که امیدواریم شما با مطالعه آن بتوانید در ارایه مقالات پژوهشی و علمی و پایان نامه های کارشناسی ارشد خود از آن ها استفاده نمایید . 

برای مطالعه بیشتر با مقاله های آموزشی در رشته مهندسی مکانیک می توانید مقالات زیر را مطالعه نمایید :

آشنایی با مواد تابعی

آشنایی با نرم افزار Abaqus

آموزش نصب نرم افزار Fluent