آموزش شبیه سازی تولید موج نوسانی و تاثیر آن بر حرکت باله ی درون جریان سیال
500,000 تومان
آخرین بروزرسانی : 30 آذر, 1400
بررسی اجمالی محصول
با خرید این محصول، ویدئوی آموزش شبیه سازی تولید موج نوسانی و تاثیر آن بر حرکت باله ی درون جریان سیال در نرم افزار ansys fluent به همراه فایل شبکه بندی آن (msh.) را دریافت خواهید کرد.
تمامی محصولات شامل فایل های Geometry و Mesh بوده و آموزش محصولات به صورت یک جلسه آنلاین یک ساعته خواهد بود.
نقد و بررسی : آموزش شبیه سازی تولید موج نوسانی و تاثیر آن بر حرکت باله ی درون جریان سیال
تعریف مسأله
مسأله ی حاضر به شبیه سازی حرکت دورانی یک باله در یک میدان جریان دوفازی تحت تأثیر موج جریان نوسانی تولیدی می پردازد. جریان دوفازی مورد استفاده در مسأله با استفاده از تکنیک VOF تعریف شده و متشکل از دو فاز هوا به عنوان فاز اولیه و آب به عنوان فاز ثانویه میباشد که بین دو فاز هیچ گونه تعامل یا انتقال جرمی صورت نمیگیرد. مخلوط سیال آب و هوا درون ناحیه ی اصلی قرار دارد و حرکت دیواره ی صلب متحرک و جابه جا شدن دیواره های متصل به آن مرز متحرک، موجب ایجاد موج نوسانی در جریان آب میشود و این موج جریان نوسانی تولیدی موجب اعمال نیروی فشاری و تنش برشی بر روی باله ی متصل به کف ناحیه میشود. در نتیجه، در اثر نیروهای اعمالی جریان آب بر باله، موجب ایجاد حرکت دورانی و رفت و برگشتی باله به عنوان یک جسم صلب حول محور عمودی خود میشود. با توجه به ماهیت مسأله که نیاز به جابه جایی در مرزهای مدل وجود دارد، از تکنیک مش دینامکی (dynamic mesh) برای تعریف جریان سیال استفاده شده است. همچنین برای تعریف حرکت رفت و برگشتی دیواره ی صلبی که موجب ایجاد جریان موجی شکل درون ناحیه ی حل میشود، از تایع (udf (user-defined function استفاده شده است. شبیه سازی در مدت زمان 100 ثانیه و در گام زمانی 0.001 ثانیه صورت گرفته است.
لازم به ذکر است که کاربرد صنعتی این باله های دورانی درون جریان آب، برای ایجاد نیروهای هیدرلیکی در اهرم های هیدرولیکی و درنتیجه تولید جریان برق در ژنراتورهای مخصوص هیدرولیکی میباشد. شکل 1 شماتیکی از تغییر زاویه ی قرارگیری یک نمونه باله بر اثر حرکت موج را نشان میدهد.
شکل 1 : شماتیکی از تغییر زاویه ی یک باله در اثر حرکت موج
گام 1) تعریف هندسه و شبکه بندی
هندسه ی مدل حاضر به صورت دوبعدی و با استفاده از نرم افزار design modeler ترسیم شده است. هندسه ی مدل به سه ناحیه ی اصلی به صورت structure، unstructure و stationary تقسیم بندی شده است. در بخش structure، از دیواره ی صلب با نام wall-dynamic به عنوان عامل اصلی تولید موج در جریان استفاده شده است؛ در حالی که دیواره های بالا و پایین با نام های wall-bottom-deforming و outlet-deforming به عنوان دیواره های دریافت کننده و پذیرنده ی تغییر شکل تعریف شده اند. در بخش unstructure، کل ناحیه ی unstructre به عنوان ناحیه ی پذیرندهی تغییر شکل و دیواره های دور باله با نام wall-flap-dynamic به عنوان جسم صلب دارای حرکت دورانی و رفت و برگشتی تعریف شده اند. شکل 2 نمایی از هندسه ی ترسیمی مدل را نشان میدهد.
شکل 2 : نمایی از هندسه ی ترسیمی
شبکه بندی مدل حاضر با استفاده از نرم افزار ansys meshing انجام گرفته است. تعداد سلولهای تولیدی در مش بندی معادل 120049 می باشد. در ناحیه ی مخصوص ایجاد شده حول پره، شبکه بندی به صورت بدون سازمان (unstructure) استفاده شده است، زیرا این ناحیه تحت فرایند مش دینامیکی قرار گرفته و دچار تغییر شکل میشود و از اینرو، این ناحیه باید قابلیت انعطاف بالا در برابر تغییر مش داشته باشد؛ در حالی که در سایر نواحی مدل، شبکه بندی به صورت سازمان یافته (structure) تولید شده است. شکل 3 نمایی از مش بندی انجام گرفته را نشان میدهد.
شکل 3 : نمایی از شبکه بندی
گام 2) مراحل شبیه سازی
برای شبیه سازی مدل حاضر، چند فرض در نظر گرفته شده است که عبارتند از:
- شبیه سازی براساس دیدگاه فشاری (pressure-based) صورت گرفته است.
- شبیه سازی فقط به بررسی رفتار سیالاتی پرداخته است؛ به عبارتی دیگر، شبیه سازی انتقال حرارتی انجام نگرفته است.
- مدل حاضر از نظر زمانی ناپایا (unsteady) میباشد؛ زیرا مدل مذکور مربوط به شبیه سازی حرکت دورانی یک باله تحت اثر موج نوسانی سیال میباشد که کاملاً وابسته به گذر زمان میباشد.
- اثر گرانش زمین (gravity) بر روی سیال جریان لحاظ شده است که معادل 81 m.s-2 و در راستای محور y در مدل حاضر میباشد؛ زیرا نیروی ناشی از گرانش بر روی گشتاور اعمالی بر باله کاملاً اثرگذار خواهد بود.
خلاصه ای از مراحل تعریف مسأله و تعریف حل آن در جدول 1 آمده است :
استفاده از مش دینامیکی (dynamic mesh)
به طور کلی، در زمان شبیه سازی مدل هایی که نیاز به ناحیه ی مش بندی متحرک دارند، از تکنیک مش متحرک استفاده میشود. درواقع، این مدل امکان تغییر مکانی نواحی تعریفی برای جریان سیال را فراهم میکند و موجب میشود که شبکه بندی ناحیه ی مورد نظر به صورت لحظه ای همزمان با تغییرات موقعیتهای مکانی نقاط و مرزهای ناحیه دچار تغییر و سازگاری با مکان در لحظه ی کنونی گردد. برای تعریف تکنیک مش متحرک از سه مرحله شامل تعیین روشهای تولید مش دینامیکی (dynamic mesh methods)، تعیین حالتهای خاص دارای مش دینامیکی (options) و تعریف نواحی مخصوص مش دینامیکی و حالت مش دینامیکی آن ناحیه (dynamic mesh zone) تشکیل شده است.
روشهای تولید مش دینامیکی به سه حالت شامل smoothing، layering و remeshing تقسیم بندی میشوند.
Smoothing
روش smoothing به تنظیم مش یک ناحیه با جابه جایی و یا تغییر شکل مرزها می پردازد؛ اما تعداد گره ها و اتصالاتش تغییر نمیکند. در این نوع روش تغییر مش، در روش spring-based smoothing لبه ها بین هر دو گرهی مش به عنوان یک شبکه ی فنرهای به هم پیوسته شناخته میشود. فضای اشغالی اولیه لبههای بین دو گرهی مش قبل از هر گونه حرکت مرز، یک حالت تعادلی از مشها را تشکیل میدهد. هر جابهجایی در یک نقطهی مرزی داده شده، یک نیروی جزئی جهت جابهجایی در راستای تمام فنرهای متصل به گره تولید میکند؛ یعنی لبههای بین دو گره مانند فنر تحت فشار یا کشش نیرویی جهت تغییر مکان گرهها ایجاد میکنند. بنابراین، برای تنظیمات این بخش، باید ضریب ثابت فنر (بیانگر مقدار سفتی فنر و دارای مقداری بین صفر و یک) در spring constant factor و تعداد تکرارها در یک معادله ی تکراری حاصل از حالت تعادل فنرها بین گرهها در number of iterations تعیین گردد. بنابراین نرم افزار بهطور تکراری در هر گام زمانی شروع به حل میکند تا جایی که تعداد تکرارهای تعیین شده صورت بگیرد و یا حل برای گام زمانی به همگرایی برسد که معیار همگرایی آن مقدار تلورانس همگرایی تعیین شده در convergence tolerance میباشد. از tri in tri zones برای اعمال روش تغییر مش smoothing بر روی مش های مثلثی در کلیهی المانهای مثلثی، از tri in mixed zones برای اعمال روش تغییر مش smoothing بر روی مش های مثلثی در نواحی دارای المانهای اختلاطی، و از all برای اعمال روش تغییر مش در همه ی المان های ناحیه ی مورد نظر استفاده میشود.
در مدل حاضر، از روش تغییر مش دینامیکی smoothing استفاده شده است که مقدار ضریب ثابت فنر معادل 0.7، تعداد تکرارها برابر 500 و معیار تلورانس همگرایی معادل 0.001 در نظر گرفته شده اند.
Layering
روش dynamic layering برای زمانی استفاده میشود که چند لایه ی سلولی به لایهی سلولهای مجاور مرزهای متحرک اضافه شده یا از آن کم شوند. این امر میتواند مبتنی بر ارتفاع لایهی مجاور سطوح متحرک باشد؛ بدین معنا که لایهی سلولی مجاور مرز متحرک دچار تقسیم شده یا با لایه ی سلولی بعدی خود ادغام میشود و درواقع نیاز به یک حد ارتفاعی ایده آل میباشد که با توجه به مقدار ضریب تقسیم (split factor) و ضریب فروپاشی (collapse factor) تعیین میشود، و یا میتواند مبتنی بر نسبت ارتفاع لایه ی مجاور مرز متحرک با لایه ی بعدی خود باشد که در این حالت نیز دارای یک نسبت ارتفاعی حدی میباشد که این نیز به نسبت تقسیم و نسبت فروپاشی وابسته است.
در مدل حاضر از روش layering برای مش دینامیکی استفاده نشده است.
Remeshing
روش remeshing برای مواقعی استفاده میشود که جابه جایی مرز در مقایسه با سایز سلول های محلی بزرگ باشد و این امر موجب میشود که کیفیت سلول رو به خرابی برود؛ درنتیجه، شبکه بندی غیرمعتبر میشود و به عنوان مثال ممکن است که خطای حجم سلولی منفی رخ بدهد و نهایتاً منجر به واگرایی حل مسأله در زمان ورود به گام زمانی بعدی بشود. لذا برای رفع این مشکل، سلولهایی را که مقدار skewness یا حد بحرانی سایز را مختل میکند، متراکم کرده و به صورت محلی سلولها یا سطوح تراکم یافته را بازسازی مش (remeshing) میکند. حال اگر سلولهای جدید مقدار بحرانی skewness را ارضاء کند، مش به صورت محلی با سلولهای جدید بهروز میشود، و در غیر این صورت، سلول های جدید کنار گذاشته شده و همان سلولهای قدیمی باقی میمانند. در بین روشهای remeshing، روش local cell فقط بر سلولهای مثلثی و چهاروجهی اثر میگذارد، روش local face میتواند سلولهای چهاروجهی و گوه ای در مش های لایه مرزی را تغییر مش بدهد، روش face region بر سلولهای مثلثی و چهاروجهی اعمال میشود، و روش 2.5D فقط بر روی مش های شش وجهی یا سلول های گوهای حجم داده شده از المانهای صفحهای مثلثی کار میکند. برای استفاده از این روشهای مش دینامیکی، باید حدودی برای مقیاس های طولی حداکثر و حداقل تعریف کرد و همچنین تعداد دفعات مش زنی برای رسیدن به بازه ی تعریفی را تعیین کرد.
در مدل حاضر، از روش remeshing و نوع local cell استفاده شده است.
گام 3) نتایج نهایی
پس از پایان فرایند حل، کانتورهای دوبعدی مربوط به فشار، سرعت، کسر حجمی مایع و هوا و خطوط جریان در ثانیه ی 2 به دست آمده است. همچنین با توجه به فعال کردن گزینه ی write motion history در بخش تعریف six dof، مکان باله در مختصات x و y و زاویهی قرارگیری آن در زمانهای مختلف به صورت مجموعه ای از data در یک فایل text ذخیره شده و نمودار حاصل از آن داده ها به دست آمده است که نمودار حاصل نشان دهنده ی تغییرات زاویه ی قرارگیری باله در گذر زمان در مدت زمان 22.5 ثانیه میباشد. شکل های 4 الی 9 نشان دهنده ی نتایج حاصل میباشد.
roham –
کار بسیار سختی به نظر میرسه