شبیه سازی جریان در کانال­ های رو باز در انسیس فلوئنت (open Channel flow in Ansys Fluent)

شبیه سازی جریان در کانال­ های رو باز در انسیس فلوئنت ، به طور کلی زیر مجموعه ی شبیه سازی جریان های چند فازی است. برای شبیه سازی جریان در کانال های رو باز باید از مدل VOF در نرم افزار انسیس فلوئنت استفاده کرد. این مدل توانایی بالایی در شبیه سازی و بدست آوردن فصل مشترک دو سیال دارد. از این رو برای شبیه سازی هایی که دو سیال فصل اشتراک بزرگی باهم دارند و همچنین به صورت فاز جداشونده هستند این مدل بسیار مناسب می­ باشد.

چگونگی شبیه سازی جریان در کانال های رو باز در فلوئنت :

برای شبیه سازی جریان در کانال­ های رو باز در انسیس فلوئنت ، ابتدا باید در بخش مولتی فاز نرم افزار ، گزینه Open Channel را انتخاب کنیم.

سپس به سربرگ شرایط مرزی یا boundary Condition رفته و از این بخش گزینه های مربوط به شبیه سازی جریان در کانال­ های رو باز را برحسب نوع جریان انتخاب کنیم.

در این بخش باید علاوه بر مشخص کردن سرعت جریان، عمق کانال و سطح آزاد آن را نیز با توجه به شبیه ­سازی مد نظر خود تعیین کنید.

دقت داشته باشید عمق کانال و سطح آزاد باید با توجه به سطح مرجع شما در نرم افزار انسیس فلوئنت مشخص گردد.

حتما بخوانید

آموزش جریان چندفازی

8 ساعت

جریان در کانال ­های رو باز چیست ؟ (Open Channel Flow)

جریان در کانال های رو باز، به جریان هایی گفته می­ شود که با محیط اتمسفر در تماس هستند به عبارت دیگر میتوان گفت یک سطح آن با شرط مرزی Pressure inlet/outlet تماس دارد. نمونه ای از جریان های کانال باز یا open channel Flow ، جریان آب در رودخانه، سیستم‌های زهکشی آب در خیابان‌ها و ناودان های به کار رفته در ساختمان‌ها است.

برای شبیه سازی جریان در کانال­ های رو باز در انسیس فلوئنت باید در نظر داشته باشیم که سرعت در کناره ها (در نواحی که سیال با دیواره در تماس است) صفر است یعنی در این بخش شرط مرزی در نرم افزار انسیس فلوئنت No-Slip می باشد. اما در بخشی که سیال با اتمسفر در تماس است سیال سرعتی غیر صفر خواهد داشت.

اگر پروفیل سرعت در یک کانال رو باز رسم گردد، مطابق با شکل زیر در نواحی که جریان با سطح دیواره در تماس است به دلیل وجود شرط عدم لغزش سرعت جریان به صفر تمایل دارد. اما هر چقدر که از دیوارها دور می­شویم و به بخش­ های فوقانی جریان و نواحی که با فشار اتمسفر در تماس است می­رسیم، سرعت جریان افزایش می یابد و پروفیلی مطابق با شکل زیر ایجاد می­ شود.

در کانال­هایی که هندسه و جریان به صورت متقارن هستند، سرعت در صفحه میانی به بیشترین مقدار خود می­رسد. مطابق با شکل زیر سرعت بیشینه در نواحی پایین تر از سطح آزاد رخ می ­دهد. به دلیل اینکه جریان‌های ثانویه، حتی در کانال‌های مستقیم نیز وجود دارند، سرعت محوری، در نقطه‌ای پایین‌تر از سطح آزاد، حدوداً در فاصله %25 برابر عمق، به مقدار ماکسیمم می‌رسد.

انواع جریان در کانال های رو باز

جریان در کانال­های رو باز به دو حالت زیر می توانند تقسیم بندی می­ شود:

1. جریان های یکنواخت و متغییر
2. جریان های لایه ­ایی و متلاطم

همانند جریان داخل لوله، جریان در کانال باز هم می‌تواند لایه‌ای (Laminar)، انتقالی (Transitional) یا متلاطم (Turbulent) باشد. برای مشخص کردن رفتار سیال در کانال باز میتوان از عدد رینولدز استفاده کرد.

برای بدست آوردن پارامتر قطر در فرمول رینولدز می توان از روش محاسبه سطح مقطع کانال به محیط ترشونده استفاده کرد. توجه کنید که محیط تر شونده، شامل بخش‌هایی از دیواره‌ها و کف کانال می‌شود که با سیال جاری در تماس است.

جریان در کانال باز : یکنواخت و متغییر

در کانال های رو باز در صورتی که شیب و سطح مقطع کانال ثابت بماند، سیال جاری در کانال انقدر شتاب گرفته تا در نهایت افت هدی که به دلیل اصطکاک ایجاد می­شود از بین برود. در این حالت عمق سیال ثابت می­ ماند. حال اگر در مسیر جریان سیال یک مانع به مانند دریچه، تغییر در شیب و… قرار دهیم باعث تشکیل جریان متغییر می ­شود. این نوع جریان در کانال­های رو باز طبیعی و هم در کانال­های ساخته شده توسط انسان دیده می­شود.

جریان در کانال باز : لایه ­ایی و متلاطم

جریان لایه ای زمانی تشکیل می ­شود که لایه نازکی از سیال با سرعت بسیار کم بر روی سطوح جاری شود. اما با توجه به مشخصات سیال آب، اغلب جریان ها در کانال ها به دلیل سرعت بیشتر از نیم متر بر ثانیه به رینولذر بالای 200000 می رسند و در نتیجه جریان به صورت متلاطم در نظر گرفته می­ شود.

همانطور که گفته شد شبیه سازی جریان در کانال های رو باز در فلوئنت زیر مجموعه ی روش VOF می باشد. در مقاله زیر به بررسی روش VOF پرداخته شده است.