آموزش شبیه سازی و تحلیل توربین آبی با استفاده از روش FSI

آموزش شبیه سازی و تحلیل توربین آبی با استفاده از روش FSI


750,000 تومان

( آخرین بروزرسانی : 14 شهریور, 1401 )

بررسی اجمالی محصول

با خرید این محصول، ویدئوی آموزشی شبیه سازی و تحلیل توربین آبی با روش FSI در نرم افزار ansys fluent به همراه فایل شبکه بندی آن (msh.) را دریافت خواهید کرد.

نقد و بررسی : آموزش شبیه سازی و تحلیل توربین آبی با استفاده از روش FSI

مقدمه ­ای از توربین­ ها

توربین یک وسیله­ ی مکانیکی دوار است که انرژی را از جریان سیال می­گیرد و آن را به کار مفید تبدیل می­کند. در ساختار تشکیل دهنده­ ی توربین­ ها دو بخش اصلی شامل یک قطعه­ ی متحرک (rotor) و یک مجموعه پره (blades) می­باشد. انواع توربین­ ها شامل توربین­ های بخار، توربین­ های گاز، توربین­ های باد و توربین­ های آبی می­باشد. توربین­ های آبی توربوماشین­ هایی هستند که انرژی جنبشی حاصل از جریان آب یا انرژی پتانسیل ناشی از اختلاف ارتفاع آب را تبدیل به حرکت دورانی می‌کنند. درواقع دو عامل سرعت جریان آب و هد فشاری آب دو عامل مهم برای تولید انرژی در توربین­ های آبی می­باشد. توربین­ های آبی بر اساس نوع جریان آب به سه دسته ­ی کلی تقسیم می­شوند: توربین­ های جریان­ محوری (kaplan) که جریان­ آب در راستای طول توربین است، توربین­های جریان شعاعی (francis) که جریان آب در راستای شعاع توربین است و توربین­ های جریان مماسی (pelton) که جریان آب در جهت مماس بر توربین است. شکل 1 شماتیکی کلی از انواع توربین­ های آبی را ارائه می ­دهد.

شکل 1 : انواع توربین­ های آبی

 

شرح مسأله

مسأله­ ی حاضر به بررسی جریان سیال حول یک توربین آب محور عمودی به صورت ناپایا پرداخته است. در مسأله­ ی حاضر فرض بر این است که پره­های توربین تحت تأثیر جریان سیال عبوری قرار می­گیرند؛ بدین معنا که جریان سیال پس از برخورد با پره­ های توربین، نیروهایی را بر بدنه­ ی توربین وارد کرده و این نیروها موجب تغییر شکل و یا تغییر اندازه در بدنه­ ی این پره­ ها می­گردد. بنابراین، مسأله­ ی حاضر متشکل از دو حل سیالاتی و جامداتی به صورت همزمان می­باشد و از این­رو، از روش FSI و برقراری کوپل بین fluid flow (fluent) و transient structural استفاده می­گردد. همچنین با توجه به ماهیت مدل موجود در مسأله، باید از تکنیک مش متحرک برای اعمال تغییرات لحظه ­ای در ساختار شبکه­بندی­ ها استفاده نمود.

برای شبیه ­سازی مسأله­ ی حاضر، چند فرض در نظر گرفته شده است:

  • شبیه ­سازی مسأله از نظر زمانی به صورت ناپایا (unsteady) صورت گرفته است.
  • برای شبیه ­سازی از حلگر pressure-based استفاده شده است.
  • اثر گرانش زمین بر روی مدل نادیده گرفته شده است.

 

گام 1) ترسیم هندسه و شبکه­ بندی

مدل حاضر به صورت سه ­بعدی و با استفاده از نرم ­افزار design modeler طراحی شده است. هندسه­ ی مدل از یک فضای بزرگ مکعبی به عنوان فضای مخصوص جریان سیال و یک بخش مربوط به توربین آب درون این فضا می­باشد. شکل 2 نمایی از هندسه­ ی ترسیمی را نشان می­دهد.

 

شکل 2 : نمایی از هندسه ترسیمی

 

شبکه ­بندی مدل با استفاده از نرم ­افزار ansys meshing و به صورت بدون سازمان انجام گرفته است. در این شبکه­ بندی، تعداد سلول­ های تولیدی برابر 523202 می­باشد. شکل 3 نمایی از شبکه ­بندی را نشان می­دهد.

 

 

گام 2) مراحل شبیه ­سازی

خلاصه­ ای از مراحل تعریف مسأله و تعریف حل آن در جدول 1 آمده است :

 

روش تحلیل FSI :

یکی از کاربردهای مهم نرم ­افزار انسیس، قابلیت تحلیل همزمان سیالاتی و جامداتی می­باشد. درواقع، این نرم­ افزار این امکان را به ما می­دهد که از تکنیک تعامل سیال و جامد (fluid structure interactions) جهت ایجاد ارتباط بین تحلیل سیالاتی و تحلیل جامداتی و بررسی چگونگی  رفتار متقابل بین سازه و سیال استفاده نمود که به اختصار FSI نامیده می­شود. هرگاه هدف از مسأله­، بررسی تأثیر جریان سیال بر روی جسم جامد موجود درون سیال بود، از روش فوق استفاده می­گردد. به عنوان مثال، برای شبیه ­سازی حرکت توربین آب درون جریان آب و اثرگذاری جریان آب بر روی پره­ های توربین از لحاظ تغییر طول تولیدی بر روی بدنه­ی توربین، از روش مذکور استفاده شده است.

استفاده از تکنیک dynamic mesh :

هرگاه مدل مسأله به گونه ­ای بود که بخش مش­ بندی شده­ ی سیال نیاز به تغییرات لحظه ­ای مش بر اثر گذر زمان داشت، از تکنیک مش دینامیکی استفاده می­کردد. درواقع، در مسائلی که ناحیه­ ی تعریفی مخصوص سیال و مرزهای آن، در حین شبیه­ سازی دچار جابه­ جایی شد، باید از مش متحرک استفاده نمود تا سلول­ های موجود در شبکه ­بندی به صورت لحظه­ ای تغییر شکل داده و یا جابه ­جا گردند. برای مدل حاضر از روش ­های تغییر مش smoothing و remeshing استفاده کرد؛ به طوری که این روش ­ها قابلیت تغییر شکل مش را به طور لحظه­ ای فراهم می­کنند. البته از remeshing برای مواقعی مه تغییرات مش حساسیت بیشتری دارد، استفاده می­گردد که می­توان به صوت دستی محدوده­ای از اندازه­ ی المان­های ماکزیمم و مینیمم را در بخش maximum and minimum length scale برای اعمال تغییر مش تعیین کرد. در بخش مربوط به dynamic mesh zone باید نواحی یا مرزهایی از مدل را که باید تحت تأثیر تغییر مش قرار بگیرند را تعریف نمود؛ به طوری که از deforming برای تغییر مرزها در ناحیه (سیال اطراف یک جسم متحرک یا یک جسم دارای تغییر مرز)، از rigid body برای تغییر مرز جسمی که متحرک می­باشد و مرزهایش صرفاً انتقال پیدا می­کنند اما خود مرزها دچار تغییر شکل نمی­شوند، از stationary برای جسمی که کلا ثابت می­باشد و نهایتاً از system coupling برای مواقع دارای حل FSI و کوپل حل سیالاتی با حل سازه­ای (مثل مسأله­ی کنونی) استفاده می­گردد.

تنظیمات مربوط به بخش تحلیل سازه­ای (transient stractural) :

در بخش مربوط به analysis setting، گام­ زمانی حل مسأله، مدت زمان حل و زمان انتهایی حل تعرف می­گردد که زمان حل باید منطبق با زمان حل در حل سیالاتی مسأله در فلوئنت باشد. سپس می­توان برای مرزهای جسم جامد موجود در جریان سیال در مسأله­ی حاضر قیدگذاری کرد؛ به طوری که از قید fixed support برای ثابت فرض کردن دیواره­هایی که تحت تأثیر جریان سیال قرار نمی­گیرند و از قید fluid solid interface برای تعریف دیواره­هایی که تحت تأثیر جریان سیال دچار تغییر اندازه می­شوند، استفاده می­گردد.

تحلیل کوپل سیال و سازه (system coupling) :

برای ایجاد ارتباط بین نتایج حاصل از تحلیل سیالاتی و سازه­ای و اثرگذاری آنها بر یک­دیگر، باید چندین data transfer تعریف کرد؛ به طوری که ابتدا ناحیه­ ی مورد نظر جهت تغییر شکل در بخش fluid flow به عنوان source پارامتر نیرو (force) را بر روی همان ناحیه در بخش transient structural به عنوان target اعمال می­نماید و سپس همین ناحیه در بخش transient structural به عنوان source موجب تغییر در displacement در بخش fluid flow می­گردد.

 

گام 3) نتایج نهایی

پس از فرایند حل، کانتورهای سه بعدی مربوط به سرعت، فشار، تنش دیوار­ه ­ای و تغییر شکل بر روی پره­ های توربین و همچنین کانتورهای دوبعدی و خطوط جریان و بردارهای سرعت مربوط به فشار، سرعت و انرژی جنبشی توربولانسی مقطعی از فضای اطراف توربین به دست آمده است. شکل­های 4 الی 12 نتایج نهایی را نشان می­دهد.

 

دیدگاه

دیدگاهی ثبت نشده.

اولین نفری باشید که نظر می دهید برای “آموزش شبیه سازی و تحلیل توربین آبی با استفاده از روش FSI”