مقدمه‌ای بر مدلسازی احتراق در نرم‌ افزار OpenFOAM

مقدمه‌ای بر مدلسازی احتراق در نرم‌افزار OpenFOAM

در مقاله های آموزشی در رشته مهندسی مکانیک گرایش سیالات در مقاله ای جدا گانه به آشنایی مقدماتی و نحوه نصب نرم افزار OpenFoam پرداخته شد و ذکر گردید که نرم افزار مهندسی Openfoam از مهم ترین و پرکاربردترین نرم افزارها در مقطع کارشناسی ارشد می باشد که بسیاری از دانشجویان و فارغ التحصیلان با استفاده از نرم افزار Openfoam به ارایه مقالهات علمی و پژوهشی , پایان نامه های کارشناسی ارشد و پروژه های صنعتی می پردازند . در این مقاله به یکی دیگر از کاربردهای نرم افزار Openfoam پرداخته می شود که امیدواریم برای شما مفید واقع شود .  معادلات حاکم بر جریان‌های احتراقی تراکم‌پذیر ، معادلات بقای جرم (پیوستگی) ، مومنتوم (اندازه حرکت) ، بقای انرژی و بقای گونه‌ها می‌باشند که به صورت جفت (کوپل) با یکدیگر حل می‌شوند . در کنار معادلات فوق ، معادلات حالت و نرخ انجام واکنش نیز مورد نیاز می‌باشند . از آنجا که جریان‌های احتراقی و واکنشی معمولاً آشفته هستند ، از معادلات فوق متوسط‌گیری زمانی (رویکرد RANS) و یا مکانی (LES) می‌شود . در این صورت معادلات بقای جرم ، مومنتوم ، گونه‌ها و بقای انرژی با توجه به ساده‌سازی‌هایی که برای جریان‌های احتراقی آشفته متداول است و در نرم افزار Openfoam نیز لحاظ شده است به شکل زیر بازنویسی می‌شوند :

در این معادلات  u ، مولفه سرعت در راستای i، p‌ فشار ، P چگالی، Y‌ کسر جرمی گونه kام ، و h‌ آنتالپی محسوس می‌باشد . در روابط فوق ، بالانویس‌های (-) و ( ~ ) به ترتیب نشانگر متوسط‌گیری رینولدز و متوسط‌گیری جرمی (فاور) هستند . در جریان‌های آشفته به دلیل تأثیر متقابل احتراق و آشفتگی بایستی از مدل‌های احتراقی (مانند EDC، EDM، Flamelet،‌ PaSR‌ و ...) استفاده گردد که تأثیر آشفتگی را بر نرخ انجام واکنش لحاظ کنند .

همانند سایر مسائل اپن ‌فوم (دوفازی ، انتقال حرارت ، الکترمغناطیس و ...) ، در شبیه‌سازی مسائل احتراقی نیز ، کلیدی‌ترین و ابتدایی‌ترین موضوع ، شناسایی حلگر (solver) مناسب می‌باشد . در نرم افزار Openfoam بنا بر شرایط مسأله احتراقی (پیش آمیخته یا غیر پیش آمیخته ، نوع سوخت و ...) ، حلگرهای متنوعی پیش‌بینی شده است . در جدول زیر مشخصات مربوط به برخی از این حلگرها آورده شده است :

در اینجا به طور خلاصه فایل‌هایی را که بایستی در حلگر reactingFoam تنظیم شوند مورد بررسی قرار می‌دهیم . پس از ایجاد شبکه محاسباتی با ابزاری مانند blockMesh، که ابزار استاندارد نرم‌ افزار اپن فوم برای تولید دامنه محاسباتی می‌باشد ، بایستی شرایط مرزی مسأله (فشار ، سرعت ، دما ، انرژی جنبشی اغتشاشی (k) ، نرخ اضمحلال انرژی جنبشی )ε( ویسکوزیته آشفته (mut) و ضریب پخش گرمایی آشفته (alphat) را تعیین کنیم . در مسائل احتراقی علاوه بر موارد ذکر شده بایستی برای گونه‌های ورودی به محفظه احتراق نیز فایل‌های جداگانه‌ای به نام گونه مورد نظر در پوشه 0 ایجاد کنیم . به عنوان مثال همان طور که در شکل زیر نشان داده شده است ؛ برای متان ،‌ اکسیژن و نیتروژن بایستی مقادیر کسر جرمی ، برای نواحی مختلف دامنه محاسباتی به نرم‌افزار معرفی شود .

سپس بایستی در فایل thermophysicalProperties از پوشه Constant، خواص ترموفیزیکی تعیین گردد . یک نمونه از مدل‌های انتخابی در فایل thermophysicalProperties در زیر آورده شده است .

سپس بایستی در فایل combustionProperties از پوشه constant، پارامترهای مربوط به مدل احتراقی تعیین گردد . همان‌طور که در شکل زیر نشان داده شده است در اینجا به عنوان نمونه از مدل احتراقی PaSR‌ استفاده شده است .

همچنین ، تنظیمات مربوط به حلگر واکنش شیمیایی نیز بایستی در فایل chemistryProperties از پوشه constant انجام شود .

در انتها بایستی سینتیک واکنش‌های شیمیایی نیز در فایل thermo مشخص شود. در زیر نحوه نوشتن فایل thermo برای برخی گونه‌های شیمیایی در قالب chemkin‌ آورده شده است .

پس از این مرحله بایستی همانند سایر مسائل به تنظیم فایل‌های مدل اغتشاشی (turbulentProperties)، تعیین گام زمانی (controlDict)، روش گسسته‌سازی عددی (fvSchemes)، و روش حل دستگاه‌های معادلات (fvSlution) بپردازیم .

شکل زیر نمونه‌ای از نتایج به دست آمده از شبیه‌سازی یک محفظه احتراق را توسط نرم افزار Openfoam نشان می‌دهد .

در این مقاله آموزشی سعی بر آشنایی و معرفی یکی دیگر از قابلیت های نرم افزار Openfoam گردید که امیدواریم برای داشنجویان کارشناسی ارشد برای ارایه مقالات علمی و پژوهشی , پایان نامه های کارشناسی ارشد و پروژه های صنعتی مفید واقع شود . برای آشنایی با نرم افزار OpenFoam و نحوه نصب نرم افزار Openfoam می توانید بر روی نرم افزار  Openfoam کلیک نمایید تا به مقاله مورد نظر هدایت شوید .