یخ زدن روی سطح ایرفویل سه بعدی، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

شرح پروژه (یخ زدن)

هدف از مسأله حاضر، شبیه سازی عددی یخ زدن یا ایجاد یک فیلم آب روی سطح ایرفویل سه بعدی با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYSFluent) است.

درواقع، هنگامی که هوای مرطوب و قطرات آب به سطح ایرفویل برخورد می‌کنند، ممکن است یک لایه آب روی سطح ایرفویل تشکیل شود.

هدف از این کار، بررسی ضخامت لایه سیال تولید شده و جاری برروی بدنه ایرفویل است؛ زیرا وجود این لایه از فیلم برروی بدنه هواپیما می‌تواند باعث یخ زدن قطرات آب در سطح ایرفویل در دمای بسیار پایین شود.

در شبیه سازی حاضر، مدل چندفازی استفاده شده است. فاز اولیه (primary phase) آن هوا و فاز ثانویه (secondary phase) آن قطرات آب مایع است که به عنوان اجزای تشکیل دهنده فیلم مایع نیز تعریف می‌شوند.

مخلوط جریان هوا و قطرات آب با سرعت 30 متر بر ثانیه و دمای 250 کلوین به سمت بدنه ایرفویل حرکت می‌کند؛ به طوری که کسر حجمی (volume fraction) قطرات آب برابر با 0.002 است.

شرایط مرزی دیواره ایرفویل به گونه‌ای تعریف می‌شود که در حالت اولیه، فیلم مایع دارای ارتفاع مشخص و سرعت صفر باشد. فرآیند شبیه سازی در مدت زمان یک ثانیه با اندازه گام زمانی برابر با 0.0001 ثانیه انجام شد.

هندسه مدل حاضر با استفاده از نرم افزار دیزاین مدلر (Design Modeler) به صورت سه بعدی طراحی شده است. سپس مش بندی مدل با استفاده از نرم افزار انسیس مشینگ (ANSYS Meshing) انجام شده است. نوع مش بندی از نوع بدون سازمان (unstructured) بوده و تعداد 978532 سلول ایجاد شده است.

روش‌های استفاده شده

برای شبیه سازی و تخمین مقدار فیلم مایع تولید شده، از مدل فیلم دیواری اویلری (Eulerian wall film (EWF)) استفاده شد. این مدل برای تخمین تشکیل یا جریان یک لایه نازک مایع برروی سطوح دیواره استفاده می‌شود. این مدل فقط برای مدل‌های هندسی سه بعدی قابل استفاده است و برای استفاده از آن باید مدل چندفازی اویلرین (Eulerian multi-phase model) را فعال کرد.

برخلاف سایر مدل‌های نرم افزار (مانند مدل حجم سیال و مدل تشعشعی و غیره)، مدل فیلم دیواره اویلرین توانایی اصلاح شرایط مرزی اولیه روی دیواره‌ها را دارد و درنتیجه، تعامل خوبی با فیلم‌های مایع دارد.

نتایج

در پایان فرآیند حل، کانتورهای (contour) دو بعدی مربوط به چگالی، فشار، سرعت آب، سرعت هوا، کسر حجمی آب و کسر حجمی هوا به دست می‌آید. کانتور ضخامت فیلم ایجاد شده بر روی بدنه ایرفویل نیز به دست می‌آید.

تمام کانتورها منطبق بر ثانیه آخر فرآیند شبیه سازی است. کانتورها به خوبی نشان می‌دهد که هدف از این پروژه یعنی یخ زدن به خوبی انجام شده و لایه یخ تشکیل شده است.