آموزش شبیه سازی حرکت نوسانی سیال در مخزن (اسلاشینگ)

مقدمه: اهمیت اسلاشینگ پیچیدگی معادلات حاکم بر سیال سبب می‌گردد کـه حتـی نتـایج روش‌های عددي در بسیاري از موارد نیازمند تائید و اعتبار سازي بـه کمـک نتـایج تجربـی باشند.اسلاشـینگ پدیده‌ای اسـت ناشـی از حرکت تناوبی سطح آزاد مایع درون مخزن که موجب ایجـاد نقـاط حداکثر فشار )بارهاي ضربه‌ای( روي دیواره‌ها می‌گردد. در تحلیل متداول از حرکات کشـتی، معمـولاً از اثـر اسلاشـینگ و سـطح آزاد مایع درون مخزن صرف‌نظر می‌شود. حال‌آنکه مطالعـات تجربی و عددي نشان می‌دهند کـه اثـر اسلاشـینگ مـایع درون مخزن بر مانور شناور در حالت مخزن نیمه پراهمیت دارد. ازجمله مهم‌ترین مطالعات آزمایشگاهی اسلاشینگ می‌توان به مـوارد زیـر اشاره کرد: 1- اندازه‌گیری دینامیک اسلاشینگ یک مخزن تعبیه‌شده 2- مطالعه تجربی- آماري بارهاي ضربه‌ای مـوج اسلاشـینگ در مدل مخزن پوسته‌ای 3- راستی آزمایی نتایج عددي اسلاشـینگ در شـناور حمـل گاز مایع طبیعی بـا اسـتفاده از نتـایج تجربـی روي یـک مقطع دوبعدی از مخزن گاز مایع طبیعی با مقیـاس 0/1 در دو ارتفاع پرشدگی کم‌وزیاد که طی آزمـایش، فشـارها و ارتفاع‌سنج‌ها و همچنـین دو دوربـین بـراي ثبت پدیده اسلاشینگ استفاده‌شده‌اند 4- بررسی حداکثر فشارهاي بلندمدت اسلاشـینگ کـه بـر مخزن پوسته‌ای وارد می‌شوند بـا در نظـر گـرفتن اثـر ارتعاشات ناشی از کوبش شناور 5- مطالعه توزیـع فشـار ناشـی از اسلاشـینگ مـایع در یـک مخزن مستطیلی به روش تجربی   فاز اول: هندسه محاسباتی مرحله ابتدایی هر شبیه‌سازی به طراحی فضای حل و یا مدل‌سازی دامنه محاسباتی اختصاص می‌یابد. فضای محاسباتی در این شبیه‌سازی یک مخزن حامل سوخت LNG و هوا هست. در این مخزن برای جلوگیری از حرکت سیال از چندین سری مفصل و دیواره داخلی استفاده می‌کنند. این کار باعث اصطکاک کمتر لایه‌های سیال بر روی همدیگر است چراکه در این صورت اینرسی حاصل از حرکت سیال داخل مخزن می‌تواند منجر به اثر متقابل بر روی وسیله نقلیه حامل سوخت شود. جهت مدل‌سازی این بدیده تانک به‌صورت دوبعدی مدل‌سازی شده است. هندسه تانک دارای طول 1 متر و عرض 0.7 متر هست. از 6 ردیف جداره به ارتفاع 0.35 متر و ضخامت 0.04 متر برای جدا کردن لایه‌های سیال استفاده‌شده است. هندسه ترسیم‌شده برای اعمال مش ساختاریافته به‌صورت زیر تقسیم‌بندی شده است:   شکل1: هندسه تانک   فاز دوم: شبکه‌بندی هندسه محاسباتی پس از مدل‌سازی هندسه موردنظر نوبت به مرحله بعدی شبکه‌بندی دامنه حل هست. ازآنجاکه نرم‌افزارهای تجاری از روش‌هایی چون المان محدود یا حجم محدود کار می‌کنند پس لازم است دامنه محاسباتی را به بخش‌های ریزتری تقسیم نمود. به این عمل اصطلاحاً شبکه‌بندی یا مش بندی می‌گویند. ازآنجاکه نرم‌افزار انسیس فلوئنت از روش حجم محدود استفاده می‌کند لذا اهمیت وجود یک شبکه باکیفیت دوچندان هست. شبکه حل می‌بایست دو ویژگی اصلی داشته باشد: در مناطقی که تغییرات زیاد است (گرادیان‌ها شدید) به‌اندازه کافی ریز باشد. شبکه‌بندی لایه‌مرزی به‌درستی ترسیم‌شده باشد. با توجه به نکات ذکرشده در بالا شبکه‌ای مطابق شکل (2) در نرم‌افزار انسیس مش تولید شد. شبکه تولیدشده مربعی بوده و توضیح خاصی ندارد.   شکل 2: شبکه باسازمان تانک   فاز سوم: تحلیل در نرم‌افزار انسیس فلوئنت (ANSYS FLUENT) پس از بارگذاری شبکه بر نرم‌افزار انسیس فلوئنت پروسه حل شروع می‌شود. این پروسه شامل تعریف مسئله موردنظر برای نرم‌افزار هست. شایان‌ذکر است که هرچه فیزیک موردنظر بهتر به نرم‌افزار القا شود نتایج حل و همگرایی مسئله به‌شدت بهبود میابد. جهت انجام اين كار بايد مراحل زير انجام گردد: تعريف كليات مسئله انتخاب مدل توربولانسي تعريف مشخصات و شرايط عملياتي فعال‌سازی مدل انتقال جزء تعريف جنس مواد و سيالات بكار رفته تعريف شرايط مرزي مربوط به هر فاز و شرط مرزی جریان تعيين مشخصات نحوه حل معادلات و مشخص كردن کمیت‌های حل ازآنجاکه تنظیمات انجام‌شده در فلوئنت بسیار طولانی بر اهمیت هست لذا تمام تنظیمات انجام‌شده به‌دقت انجام‌شده است. تمام تنظیمات انجام‌شده قابل استناد است و به شرح جدول (1) انجام‌شده است.   جدول (1) – تنظیمات انجام‌شده در نرم‌افزار فلوئنت Type: Pressure-based Velocity formulation: Absolute Time setting: Transient : Time-step : 0.005 s Gravity: On : -9.81 m/s2 in Y-direction Energy: off Model: Invicid Zone: Frame Motion UDF #include "udf.h" DEFINE_ZONE_MOTION(NEWMOTION,omega,axis,origin,velocity,time,dtime) { N3V_D (velocity,=,0.5*sin(10*time),0.0,0.0); N3V_S(origin,=,0.0); /* default values, line could be omitted */ N3V_D(axis,=,0.0,0.0,1.0); /* default values, line could be omitted */ } Boundary conditions: Walls: No-slip Operating Condition: Reference Pressure Point: X : 0.00 m Y : 0.25 m Gravity: On : -9.81 m/s2 in Y-direction Solution methods: SIMPLE Pressure interpolation scheme: PRESTO Momentum: QUICK Level set implementation: QUICK VOF implementation: Compressive Relaxation: Default Initialization: Standard All Zero Patch: Region X: -10 m  to +10 m   Y: 0 to 0.25 m Pressure static : Rhow*g*(1-y/Hw) Water VF        : 1.0 Multi-phase : VOF : Enabled Formulation: Implicit Interface Modeling: sharp Implicit Body Force: On Open channel flow: Off Level Set On Phase-Interaction: Surface tension Coeff (air-water): 0.0725 n/m Material used : Fluid: Air      : Primary phase Water : Secondary phase Monitor : Point: Static Pressure: 0.0525 m   پس از پایان شبیه‌سازی نوبت به استخراج نتایج می‌رسد. اشکال زیر نحوه حرکت جریان سیال را برای دو سیکل رفت و برگت در زمان 0 تا 4 ثانیه نشان می‌دهد. بخش اصلی بی بردارش در فیلم الحاقی می‌باشد.   شکل3: کانتور نسبت حجمی هوا   https://www.ansysfluent.ir/wp-content/uploads/2019/11/anim-vf-air.mp4