یکی از سوالات رایج برای دانشجویان در حین فراگیری و آموزش فلوئنت ، انتخاب صحیح مدل های توربولانسی در فلوئنت ( مدل آشفتگی ) است. هریک از مدل های مختلف توربولانس (Turbulence models) فواید و محدودیت های خاص خود را دارند. برای داشتن یک شبیه سازی موفق در انسیس ورک بنچ ، دانستن ویژگی های مدل های توربولانسی امری ضروری است. در این مقاله و چند مقاله آینده به ترتیب به بررسی مدل سازی توربولانس در انسیس فلوئنت می پردازیم تا بتوانید به راحتی مدل مناسب برای شبیه سازی خود را انتخاب کنید.
مدل های توربولانس در فلوئنت و نحوه مدل سازی توربولانس
به صورت کلی مدل های توربولانس در فلوئنت شامل موارد زیر است، که از زبانه ی Viscous Model می توانید آن ها را انتخاب کنید.
- اسپالارت آلماراس Spalart-Allmaras
- کا-امگا k-omega
- کا-اپسیلن k-epsilon
- کا-کا ال-امگا گذرا Transition k-kl-omega
- اس اس تی گذرا یا انتقال تنش برشی گذرا Transition SST
- تنش های رینولدز Reynolds Stress
- شبیه سازی مقیاس تطبیقی (Scale-Adaptive Simulation (SAS
- شبیه سازی ادی جدا (Detached Eddy Simulation (DES
- شبیه سازی گردابه بزرگ (Large Eddy Simulation (LES
برای مدل سازی توربولانس در انسیس فلوئنت باید از ویژگی ها و نقاط قوت و ضعف هریک از این مدل ها آگاهی داشته باشید. قدم اول برای کسب این اگاهی ، دانستن مفهوم توربولانس در سیالات است که در این مقاله به صورت مختصر به آن اشاره می کنیم. ابتدا به بررسی مفاهیم جریان آرام و توربولانس و عدد رینولدز می پردازیم سپس به صورت کلی ویژگی های مدل های توربولانسی در فلوئنت را بیان میکنیم.
جریان توربولانس (Turbulence) و جریان آرام (Laminar) در انسیس فلوئنت
همانطور که می دانید جریان سیال در سه دسته زیر طبقه بندی میشود:
- آرام
- گذرا
- توربولانس
جریان آرام، جریانی است که در آن سیال به صورت منظم و تحت لایه ها و مسیرهای مشخص حرکت میکند. به همین علت برای توصیف این نوع جریان از عبارت Laminar، به معنی طبقه بندی شده استفاده می شود. اما معمولا در اغلب جریانهای مهندسی، با انباشته شدن اغتشاشات جریان به روی یکدیگر و پس از عبور از مرحله گذار (Transient) یا همان مرحله میانی به جریان توربولانس می رسیم.
به عبارت دیگر در اغلب پدیده های مهندسی جریان سیال به صورت آشفته یا توربولانس می باشد و به ندرت با جریان هایی که به صورت کاملا آرام یا Laminar هستند مواجه هستیم. همچنین علاوه بر پدیده های مهندسی، جریانهای موجود در پیرامون ما نیز به صورت آشفته در نظر گرفته می شود. به عنوان مثال جریان آب در رودخانه ، اغلب به صورت آشفته در نظر گرفته می شود.
جریان توربولانس نوعی از جریان سیال است که در آن سیال تحت Fluctuation با نوسانات جریانی یا فرآینده های اختلاطی شدید قرار میگیرد.
چگونه میتوان رژیم جریان را در انسیس فلوئنت شناسایی کرد؟
اگر با دینامیک سیالات محاساباتی (CFD) آشنایی داشته باشید یا دروس مرتبط با سیالات را در دانشگاه گذرانده باشید ، با مفهوم عدد رینولدز آشنا خواهید بود. همانطور که می دانید عدد رینولدز یک کمیت بی بعد است که به کمک آن میتوان رژیم حاکم بر جریان را شناسایی کرد . و با استفاده از آن میتوان در نرم افزار انسیس فلوئنت مشخص کرد که جریان در شبیه سازی به چه صورت خواهد بود و باید از چه مدل توربولانسی استفاده کرد یعنی اگر عدد رینولدز از یک محدوده مشخص بیشتر شود، برای شبیه سازی باید از مدل های مختلف توربولانس استفاده کرد.
اما دقت داشته باشید در نرم افزار انسیس فلوئنت کمیتی به اسم رینولدز وجود ندارد و کاربر نمیتواند با وارد کردن عدد رینولدز رژیم جریانی خود را مشخص کند بلکه می بایست از بخش نشان داده شده در شکل زیر رژیم جریان مناسب شبیه سازی خود را به صورت دستی انتخاب کند.
انواع مدل های توربولانسی در فلوئنت – مدل سازی توربولانس
جریان توربولانس ذاتا یک پدیده تصادفی است. در نتیجه نمیتوان اثرات مدل سازی توربولانس را به صورت کامل در شبیه سازی های نرم افزار انسیس فلوئنت مشاهده کرد. به همین دلیل برای مشاهده اثرات توربولانس و آشفتگی در انسیس فلوئنت ، مدلهای مختلفی ارائه شده است تا کاربر با استفاده از آن بتواند مناسب ترین مدل برای شبیه سازی خود را انتخاب کند. در تصویر زیر مدل های توربولانسی در انسیس فلوئنت نشان داده شده است.
انواع مدل های توربولانس در انسیس فلوئنت :
الف : تک معادله ای
ب: دو معادله ای
5- وای پلاس ، توابع دیواره ، ارتفاع مش لایه مرزی
7- K-Omega SST
8- K-Omega BSL
ج : سه معادله ای
9- K-KL Omega
د : چهار معادله ای
10- Transition SST
به صورت کلی برای شبیه سازی توربولانس از سه روش استفاده می شود:
- شبیه سازی عددی مستقیم DNS
- شبیه سازی با استفاده از مدل های RANS یا ناویر-استوکس میانگیری شده
- شبیه سازی گردابه های بزرگ (LES)
اگرچه بیشترین دقت در شبیه سازی ها را استفاده از روش عددی مستقیم یا DNS دارد، اما به علت هزینه محاسباتی بسیار زیاد و عدم استفاده از این روش در کارهای صنعتی ، در نرم افزار انسیس فلوئنت نیز مدلهای DNS استفاده نمی شود و ما تنها از دو روش RANS و LES میتوانیم استفاده کنیم. در شبیه سازی توربولانس با مدلهای RANS، معادلات برای مقدار متوسط زمانی و نوسانات متلاطم جریان حل می شوند و میدان لحظه ایی به صورت جمع مولفه های متوسط و نوسانی تعریف می شود.
اما در روش LES که به نوعی حد وسط روش عددی و RANS است ، از معادلات متوسط گیری مکانی می شود و گرادبه های بزرگ به صورت مستقیم حل می شوند اما گردابه های کوچک مدل سازی می شوند. این روش نتایج بسیار دقیق تری نسبت به RANS ارائه می دهد اما چون هزینه محاسباتی این روش هم زیاد است، فقط برای شبیه سازی های خاص مثلا مدل سازی احتراق استفاده می شوند.
کاربردی ترین مدل آشفتگی در صنعت، استفاده از مدل های توربولانس RANS در نرم افزار انسیس فلوئنت می باشد که خود این مدل ها به انواع مدلهای تک معادلهایی، دو معادلهایی و …. تقسیم بندی می شود که هزینه محاسباتی و کاربردهای متفاوتی را دارند. در شکل های زیر انواع و هزینه محاسباتی مدل های توربولانسی در انسیس فلوئنت مشخص شده است.
برای استفاده از این مدل های مختلف توربولانسی در نرم افزار انسیس فلوئنت کافی است به بخش مدل رفته با توجه به شکل زیر یکی از مدلهای نمایش داده شده را انتخاب کنید. در بعضی از مدل ها نیاز به بررسی تابع دیواره و وای پلاس نیز وجود دارد که در مقاله زیر توضیحات تکمیلی ارائه شده است.
تعیین پارامترهای توربولانسی در انسیس فلوئنت
هنگامی که یک جریان وارد یک محدوده با مرزهای ورودی، خروجی یا میدان دوردست می شود، نیاز به تعیین مقادیر توربولانسی انتقالی دارد. دو روش جهت مشخص کردن مقادیر توربولانس وجود دارد:
- استفاده از پروفیل ( نیاز به تسط بر مفاهیم یو دی اف نویسی)
- استفاده از مقادیر ثابت
در روش اول می بایست اطلاعات دقیقی از لایه مرزی یا جریان توربولانس در ورودی داشته باشید. این اطلاعات معمولا از نتایج آزمایشگاهی استخراج می شود. اما در روش دوم می توان پارمترهای مذکور را به صورت اعداد ثابت با استفاده از فرمول های ارائه شده بدست آورد.
شدت توربولانس یا Turbulence Intensity
شدت توربولانس که به اختصار با نماد I نشان داده میشود عبارت است از نسبت جذر میانگین اغتشاشات سرعت به میانگین سرعت جریان.
به شدت توربولانس با مقادیر نزدیک به 1 درصد شدت توربولانس پایین و به شدت توربولانس بالاتر 10 درصد شدت توربولانس بالا می گویند. برای جریان کاملا توسعه یافته یک کانال میتوان از تخمین زیر برای محاسبه شدت توربولانس استفاده کرد.
مقیاس طولی توربولانس Turbulence Length Scale
به زبان ساده میتوان گفت که مقیاس طولی توربولانس Turbulence Length Scale وابسته به اندازه گردابه های بزرگ حاوی انرژی است. به طور مثال زمانی که شبیه سازی جریان داخل یک کانال انجام می گیرد، این کمیت محدود به اندازه کانال خواهد بود چرا که گردابه نمیتواند از اندازه کانال بزرگتر باشد. برای بدست آوردن این کمیت فیزیکی در کانال ها می توان مقدار 0.07 طول کانال را در نظر گرفت و برای جریان توسعه یافته داخل یک لوله نیز میتوان قطر هیدرولیکی لوله را برای این کمیت استفاده کرد.
زمانی که در ورودی های مدل این پارامترها را به درستی تنطیم کنید رفتار همگرایی بسیار بهتر خواهد شد.
همانطور که بیان شد هریک ازین مدل های توربولانس هزینه محاسباتی متفاوت و کاربرد جداگانه ای دارند. با کلیک بر روی هریک از مدل ها می توانید به مقاله مخصوص ان مدل بروید. این مقالات به تدریج آپدیت و موارد جدید به آن ها اضافه می شوند.
انواع مدل های توربولانس در انسیس فلوئنت :
الف : تک معادله ای
ب: دو معادله ای
5- وای پلاس ، توابع دیواره ، ارتفاع مش لایه مرزی
7- K-Omega SST
8- K-Omega BSL
ج : سه معادله ای
9- K-KL Omega
د : چهار معادله ای
10- Transition SST
مطالب زیر را حتما بخوانید
آموزش نصب انسیس 2024 R1 و دانلود انسیس 2024 | اموزش کرک انسیس 2024 R2 R1
لایه مرزی و شبیه سازی صحیح سیالاتی Boundary Layer
عدد کورانت در شبیه سازی CFD چیست ؟
روش صریح و ضمنی در شبیه سازی عددی | Implicit vs Explicit Numerical Methods
آموزش نصب فرترن FORTRAN – دانلود و نصب فایل های مورد نیاز برنامه نویسی فرترن
توربوماشین چیست ؟
آموزش نصب انسیس 2022 R1 و R2 و دانلود انسیس 2022 | اموزش کرک انسیس 2022 R 2 R 1
خطای حجم منفی ( Negative volume ) در بخش دینامیک مش انسیس فلوئنت
علت ارور Floating Point در انسیس فلوئنت چیست | راه حل رفع خطای Floating Point Ansys
چگونه فایل های از دست رفته انسیس ورک بنچ را بازیابی کنیم؟
آموزش نصب تک پلات 2021 R1 و 2020 R2 | کرک و فعال سازی Tecplot
سیاه شدن صفحه CFD Post و راه حل رفع مشکل سیاهی صفحه سی اف دی پست