مقدمه‌ای بر مدلسازی جریان‌های چند فازی در نرم‌افزار OpenFOAM

نویسنده admin 1396/06/19 0 نظر مطالب,
مقدمه‌ای بر مدلسازی جریان‌های چند فازی در نرم‌افزار OpenFOAM

 

در مقالات آموزشی گذشته تحت عنوان های قابلیت های نرم افزار OpenFoam , روش های مختلف تولید شبکه در نرم افزار OpenFoam , آموزش نصب نرم افزار OpenFoam و مدل سازی توربو ماشین ها در نرم افزار OpenFoam به آموزش و آشنایی با نرم افزار و قابلیت های نرم افزار openFoam پرداخته شد . حال در این مقاله آموزشی به مقدمه ای بر مدل سازی جریان های چند سازی در نرم افزار openFoam می پردازیم .

نرم افزار OpenFoam یکی از مهم ترین نرم افزارهای مهندسی در رشته مهندسی مکانیک می باشد که در ارایه بسیاری از مقالات علمی و پژوهشی , پایان نامه های کارشناسی ارشد و پروژه های صنعتی کاربرد دارد . در ادامه به مقدمه‌ای بر مدلسازی جریان‌های چند فازی در نرم‌ افزار OpenFOAM می پردازیم .

مدلسازی جریان‌ّهای چند فاز با استفاده از سه دیدگاه انجام می‌گیرد .

 

- دیدگاه حجم سیال (VOF):

 

روش VOF برای حل سیستم‌های چند فازی شامل دو یا چند سیال غیر قابل امتزاج استفاده می‌شود که بررسی موقعیت فصل مشترک آنها مورد نظر می‌باشد . با استفاده از این مدل می‌توان مسائلی مانند Dam Break وJet Breakup را تحلیل نمود . در این روش ردیابی فصل مشترک توسط دو روش SLIC و PLIC صورت می‌گیرد . در روش SLIC که به روش اهدا کننده- پذیرنده معروف است ،‌ یک سلول محاسباتی به عنوان دهنده مقداری از سیال یک فاز شناخته می‌شود و سلول مجاور به عنوان گیرنده تعیین می‌شود . مقدار نفوذ با توجه به مقدار سیالی که در سلول دهنده قرار دارد یا مقدار فضای خالی که در سلول پذیرنده وجود دارد محدود می‌شود . در روش PLIC فصل مشترک فاز در هر حجم کنترل با پاره‌خط‌هایی تقریب زده می‌شود که شیب آنها با استفاده از بردار نرمال فصل مشترک محاسبه می‌شود . این بردار نرمال از گرادیان کسر حجمی به دست می‌آید .

 

 

- دیدگاه اویلرین-لاگرانژین (Eulerian-Lagrangian) (EL):

 

در روش EL فاز پیوسته از دیدگاه اویلرین و فاز پراکنده (حرکت و ردیابی ذرات) از دیدگاه لاگرانژین مدل می‌شود . مقادیر متوسط به دست آمده از پراکندگی ذرات برای اطلاعات مورد نیاز فاز پیوسته استفاده می‌شود . این روش برای جریان‌های دو فاز با کمتر از ۱۰ درصد حجمی فاز پراکنده مناسب می‌باشد .

 

- دیدگاه اویلرین-اویلرین (Eulerian- Eulerian) (EL):

 

این مدل به مدل جریان دانه‌ای نیز (GFM) معروف است . از این روش برای سیستم‌های صنعتی با میلیاردها ذره جامد استفاده می‌شود که مقدار فاز پراکنده بیش از ۱۰ درصد می‌باشد . این دیدگاه هر دو فاز پیوسته و پراکنده را به صورت فاز پیوسته در نظر می‌گیرد . با این روش می‌توان سیستم‌های بستر سیال و ستون حبابی را مدل نمود . در این دیدگاه نیروی بین ذرات به عنوان ترم چشمه به معادلات بقا اضافه می‌شود . مانند فشار جامد که در معادله مومنتوم یا در ترم ویسکوزیته اعمال می‌گردد .

 

استراتژی تحلیل مسائل جریان چند فاز در نرم‌افزار اپن فوم :

 

در نرم‌افزار اپن فوم برای تحلیل مسائل جریان چند فاز ، حلگرهای (solvers) متنوعی پیش‌بینی شده است . انتخاب حلگر مناسب ، ابتدایی‌ترین و مهمترین بخش شبیه‌سازی در نرم افزار  اپن فوم می‌باشد . در جدول زیر تعدادی از حلگرهای موجود در نرم افزار اپن فوم نشان داده شده است :

 

interFoam

حل جریان دو فاز غیر قابل تراکم، هم‌دما و مخلوط‌نشدنی با روش پی‌گیری سطح حجم سیال VOF (روش یک سیال)

bubbleFoam

حل جریان دو فاز به روش دو سیال (EL) مناسب برای جریان پراکنده حباب (dispersed)

twoPhaseEulerFoam

حل جریان دو فاز غیر قابل تراکم از روش دو سیال. در این روش یکی از فازها به صورت فاز پراکنده در فاز دیگر در نظر گرفته می‌شود.

settlingFoam

حل جریان دو فاز غیر قابل تراکم برای مدل‌سازی ته‌نشین شدن فاز پراکنده (dispersed)

cavitatingFoam

حل گذرای فرآیند کاویتاسیون بر اساس معادله حالت فشار ثابت

 
 

در اینجا به طور خلاصه فایل‌هایی را که بایستی در حلگر interFoam تنظیم شوند مورد بررسی قرار می‌دهیم . پس از رسم شکل و تولید دامنه محاسباتی در ابزارهای تولید شبکه (gambit، blockMesh‌ و ...)، بایستی شرایط مرزی را در پوشه صفر تنظیم نماییم . علاوه بر ترم سرعت (U) که تقریباً برای مسائل نیاز به تنظیم آن می‌باشد ، مقادیر فایل‌های p-rgh و alpha1 نیز بایستی به نرم‌ افزار OpenFoam معرفی شوند . فایل p-rgh مربوط به فشار منهای فشار هیدرواستاتیکی است . در رابطه با فایل alpha1 باید گفت که حلگر interFoam برای نمایش دو فاز از روش VOF استفاده می‌کند و در این روش دو فاز بایستی با یک تابع اسکالر مشخص شوند که مقدار این تابع در یکی از فازها یک و در فاز دیگر صفر است و به صورت زیر تعریف می‌شود :

 

 

 

مقدار alpha1 در سلول‌هایی که سطح مشترک بین دو فاز از آنها عبور می‌کند ، بین صفر و یک است . تنظیمات سایر فایل‌ها مانند تعیین گام زمانی (controlDict)، روش گسسته‌سازی عددی (fvSchemes)، و روش حل دستگاه‌های معادلات (fvSlution)، بایستی همانند سایر مسائل شبیه‌سازی اپن فوم ، انجام گیرد . شکل زیر نمونه‌ای از نتایج به دست آمده از شبیه‌سازی یک مسأله جریان دو فازی (حرکت حباب در استوانه ) را نشان می‌دهد . 

 

 

در این مقاله آموزشی به یکی دیگر از قابلیت های ÷پرداخته شد که امیدواریم برای ارایه مقاله های علمی و پژوهشی و پایان نامه های کارشناسی ارشد و پروژه های صنعتی مفید واقع شود .
 
برای مطالعه بیشتر می توانید از مقاله های زیر استفاده نمایید :
 
روش های مختلف تولید شبکه در نرم افزار OpenFoam
 
مدل سازی توربو ماشین ها در نرم افزار OpenFoam
 
قابلیت های نرم افزار OpenFoam

 

افزودن نظر