شبیه سازی فرآیند سقوط قطره توسط نرم افزار انسیس فلوئنت

شرح مسأله

در این مسأله، سقوط یک قطره­ ی آب درون فضای هوا شبیه­ سازی شده است. لذا از مدل جریان دوفازی برای شبیه سازی استفاده شده است؛ به گونه­ ای که فاز اولیه هوا و فاز ثانویه آب تعریف شده است. این شبیه­ سازی فقط شامل تحلیل سیالاتی می­باشد و به بحث تحلیل حرارتی نپرداخته است. هدف از شبیه ­سازی، بررسی رفتار قطره در حین سقوط رو به پایین و میزان تغییرات حجم آن می­باشد. هیچ­گونه عامل خارجی به عنوان شرط مرزی در سقوط قطره تأثیرگذار نیست و حرکت رو به پایین قطره، صرفاً بر اساس نیروی حاصل از گرانش زمین می­باشد. مدت زمان لازم جهت فرایند حرکت رو به پایین قطره­ی آب درون فضای هوا 0.26 ثانیه فرض شده است.

برای شبیه ­سازی حاضر از چند فرض استفاده شده است:

• حل مسأله بر اساس دیدگاه pressure-based انجام گرفته است.
• شبیه­ سازی مذکور از نظر زمانی به صورت ناپایا می­ باشد؛ زیرا مسأله به بررسی سقوط قطره رو به پایین در گذر زمان پرداخته است.
• اثر گرانش زمین بر روی مدل در نظر گرفته گرفته شده است؛ زیرا گرانش تنها عامل سقوط رو به پایین قطره است.

گام 1) ترسیم هندسه و شبکه­ بندی

هندسه­ ی مدل حاضر یه صورت سه بعدی و با استفاده از نرم ­افزار design modeler طراحی شده است. فضای مخصوص جریان هوا به صورت یک مکعب با مقطعی مربعی به ضلع 1 cm و ارتفاع 30 cm تعریف شده است. شکل 1 نمایی از هندسه­ ی تعریفی را نشان می­ دهد.

شکل 1 : نمایی از هندسه­ ی ترسیمی

شبکه­ بندی مدل حاضر توسط نرم ­افزار ansys meshing انجام گرفته است. شبکه­ بندی به صورت با سازمان و با استفاده از دستور face meshing انجام شده و تعداد سلول­ ها معادل 1086822 می ­باشد. شکل 2 نمایی از شبکه­ بندی انجام گرفته را نشان می­ دهد.

شکل 2 : نمایی از شبکه بندی

گام 2) مراحل شبیه­ سازی

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

نحوه­ ی تعریف قطره با استفاده از Patch : ­برای تعریف وجود قطره و حرکت آن در راستای y درون هوا باید با استفاده از adapt region و انتخاب حالت کروی (sphere)، شکل قطره را در مختصات مناسب درون هوا تعریف کرده و سپس آن را mark کنیم تا نرم­ افزار سلول­ هایی را که شامل کره­ ی تعریفی ما درون هندسه­ ی اصلی مدل می­باشد، شناسایی نماید. بعد از مقدارده ی اولیه به مدل که دارای کسر حجمی صفر برای آب است (یعنی درون مدل فقط هوا وجود دارد)، با استفاده از گزینه­ ی patch، مقدار کسر حجمی برای فاز آب را در ناحیه ­ی کروی تعریف شده، معادل یک در نظر می­گیریم؛ بدین معنا که درون کل فضای مدل، هوا وجود دارد و فقط در ناحیه ­ی کروی تعریفی (تعریف قطره) آب وجود دارد. محل شکل­گیری اولیه­ ی قطره در وسط مقطع مربعی به فاصله­ی 5 mm در راستاهای x و z و به فاصله­ ی 25 mm از سطح فوقانی در راستای y می­باشد و شعاع تعریفی برای قطره نیز برابر 0.002 m می­باشد. شکل 3 نمایی از شکل­گیری قطره درون هوا را نشان می­ دهد.

شکل 3 : نمایی از شکل­ گیری اولیه قطره

داده ­برداری از تغییرات شعاعی قطره با استفاده از report definition : برای بررسی میزان تغییرات شعاع قطره (در راستای x و y) در حین سقوط رو به پایین قطره درون هوا بدین صورت عمل می­کنیم: در راستای x نقطه­ ی مرکزی قطره همواره در مختصات ه­ای ثابتی می­باشد که معادل همان نقطه­ ی مرکز قطره (در x=0.005 mm) است. حال باید تغییرات مرز قطره با هوا را به دست بیاوریم که همان نقطه­ ی ماکزیموم در راستای x می­باشد. برای این منظور، ابتدا یک iso-surface برای مرز قطره یا سطح جانبی قطره ایجاد می­کنیم؛ بدین صورت که از پارامتر کسر حجمی با مقدار 0.5 استفاده می­کنیم، یعنی نقاطی که نصفش آب و نصفش هوا می­باشد که همان سطح جانبی قطره می­باشد. سپس با استفاده از گزینه­ی definition و حالت surface report، دستور facet maximum را برای mesh و x-coordinate در سطح جانبی تعریف شده­ ی مرحله­ ی قبل (iso-surface) انتخاب می کنیم؛ بدین معنا که در سطح جانبی دور قطره، نقاطی را که در راستای x دارای مقدار max می­باشند، به دست بیاورد. بدین ترتیب با یافتن مقدار شعاع قطره و نقطه ­ی مرکزی قطره، طول تغییرات شعاع قطره در راستای x به دست می­آید. برای بررسی تغییرات شعاع قطره در راستای y نیز بدین صورت عمل می­کنیم: برای بررسی تغییرات شعاع در مرزها مثل همان روش قبل با دستور facet maximum عمل می­کنیم؛ در حالی که مختصه­ ی نقطه­ ی مرکزی در راستای y بر خلاف راستای x، تغییر می­کند چون قطره در راستای y در حال سقوط رو به پایین می­باشد. باید با استفاده از گزینه­ ی definition و حالت surface report، دستور area weighted average را در mesh و y-coordinate در سطح جانبی تعریف شده­ ی پیشین انتخاب نماییم؛ چون در حرکت به پایین، اثر وزنی در میانگین­ گیری مؤثر می­باشد.

روش حل explicit : در این روش، کسر حجمی در گام زمانی جاری بر مبنای مقادیر حاصل از گام زمانی قبلی محاسبه می­شود. از این­رو، در این روش حل نیازی به حل تکراری معادله­ ی انتقال در هر گام زمانی وجود ندارد. حل با استفاده از این روش، به صورت وابسته به زمان انجام می­گیرد. بنابراین، این روش قابلیت استفاده در مدل­ های ناپایای زمانی را دارد. این روش به دلیل دقت بالا در محاسبه­ ی انحنای فصل مشترک بین دو فاز، برای شبیه ­سازی جریان­ های دارای کشش سطحی بالا بین دو فاز مناسب می­باشد. در صورت عدم استفاده از این روش، احتمال ایجاد کشیدگی در قطره در زمان حرکت رو به پایین در هوا وجود دارد.

استفاده از implicit body force : از آنجایی که در مدل حاضر، اثر گرانش به عنوان عامل اصلی حرکت رو به پایین قطره تعریف شده است، باید تأثیر نیرو­های حجمی را در مدل اعمال کرد؛ چون در این حالت، اثر ترم ­های گرادیان فشار و نیروهای حجمی در معادله­ ی مومنتوم در مقایسه با ترم­ های ویسکوزیته و جابه­ جایی قابل ملاحظه می­گردد.

روش گسسته­ سازی Modified HRIC : یکی از روش­های گسسته ­سازی مربوط به روش حل explicit، روش modified high resolution interface capturing می­باشد که روشی با پایداری مناسب و احتمال واگرایی کم می­باشد. به طور کلی در شبیه ­سازی ­های VOF، دیدگاه­ های بالادستی به دلیل ماهیت پراکندگی زیادشان برای تعقیب صفحات رابط یا سطوح مشترک مناسب نیستند و دیدگاه­ های متمایز مرکزی نیز با وجود قابلیت حفظ و کنترل برندگی در سطوح مشترک، بی­ حد و مرز هستند و نتایج فیزیکی خوبی نمی­دهند؛ در حالی که روش Modified HRIC، یک روش اصلاح شده­ی کامپوزیتی NVD می­باشد که شامل ترکیبی غیرخطی از دیدگاه­های متمایز بالادستی و پایین دستی می­باشد. این روش در مقایسه با روش Geo-Reconstant از لحاظ محاسباتی سبک­تر می­باشد.

گام 3) نتایج نهایی

پس از پایان فرایند حل، با استفاده از داده­ های به دست آمده از report definition و مقادیر مربوط به مرکز و شعاع در راستاهای x و y، نمودارهای تغییرات شعاع در راستاهای x و y با نرم­افزار excel حاصل شده است. برای محاسبه­ ی تغییرات شعاع در راستای x از x_max(facet max)-x_center(=0.005) و برای محاسبه­ ی تغییرات شعاع در راستای y از y_max(facet max)-y_center(area weighted average) استفاده می­گردد. نمودارهای تغییرات شعاع قطره در دو راستای x و y در شکل­ های 4 و 5 نشان داده شده است.

خدمات شرکت پردازشگران مهر

برای شبیه سازی فرآیند سقوط قطره توسط نرم افزار انسیس فلوئنت (Ansys Fluent) با ما تماس بگیرید. شرکت ما کارشناسان را در زمینه های مختلف مهندسی جمع آوری کرده است تا از کیفیت شبیه سازی CFD اطمینان حاصل شود. شرکت مهر اولین شرکتی است که شما می توانید با اطمینان خاطر سفارش پروژه CFD  خود را آنلاین انجام دهید. یکی از اهداف ما این است که استفاده از روش های قدرتمند محاسباتی دینامیک سیالات را افزایش داده و مهندسان و کسانی که به دنبال دانش حرفه ای در CFD هستند را آموزش دهیم.

شبیه سازی های دینامیک سیالات محاسباتی با خدمات ما آسان خواهد شد. برای آموزش کاربرد های CFD و نرم افزارهای شبیه سازی با ما تماس بگیرید. پیشنهاد ما به شما خدمات زیر است:

آموزش فلوئنت ,آموزش دینامیک سیالات محاسباتی ,انجام پروژه فلوئنت,مشاوره CFD  ,شبیه سازی با فلوئنت,انجام شبیه سازی با  فلوئنت,مشاوره پایان نامه فلوئنت,آموزش پایان نامه فلوئنت. مهندسان با تجربه ما مشاوره پیشرفته و پشتیبانی فنی مناسب را برای پروژهای دانشگاهی و صنعتی در اختیار شما قرار خواهند داد. شرکت پردازشگران مهر دارای سال ها تجربه در مدیریت و انجام پروژه های CFD است. ما آماده ایم که بهترین خدمات شبیه سازی را در فیلدهای مختلف مهندسی به شما ارائه دهیم.