آشنايی با ديناميک سيالات محاسباتی و نرم افزار FLUENT

مقدمه

امروزه استفاده از روشھای عددی در محاسبات کامپيوتری اھميت زيادی داشته و بهعنوان ابزاری کارآمد در طراحی وسايل مھندسی بهکار می رود.علم ديناميک سيالات محاسباتی (CFD)به صورت يک ابزار توانا برای تحليل رفتار جريان سيال و انتقال حرارت در سيستمھای با ھندسه ناموزون و معادلات حاکم پيچيده برای محققان و مھندسان در آمده و در دھه گذشته پيشرفت چشمگيری داشته است.

CFD

به طور کلی روشھای پيش بينی يک پديده فيزيکی به دو قسمت عمده تقسيم می شود:

روش تجربی (آزمايشگاھی)
روش نظری

در روشھای نظری، ابتدا با مشاھده پديده فيزيکی، به بيان معادلات ديفرانسيل مربوطه پرداخته و پس از آن به معادلات جبری حاکم برمسئله می پردازيم. مشکلی که وجود دارد اينست که بر خلاف پديده ھايی که برای آنھا مدل رياضی ارائه شده اند (نظير جريان آرام)، پديده ھايی نيز وجود دارند که ھنوز مدل رياضی مناسبی برای آنھا يافت نشده است (نظير جريان دو فاز)

در اينجاست که استفاده از روشھای عددی به عنوان يک راه سوم برای حل مسائل جريان سيال جای خود را باز می کند. بنابراين در يک تقسيم بندی ديگر می توان ديناميک سيالات را به سه بخش تقسيم کرد:

ديناميک سيالات تجربی
ديناميک سيالات تحليلی
ديناميک سيالات محاسباتی

ديناميک سيالات محاسباتی يا CFD، تحليل سيستمھای شامل جريان سيال، انتقال حرارت و پديدهھای ھمراه آن نظير واکنش شيميايی، بر اساس شبيهسازی کامپيوتری می باشد. CFD روش بسيار توانايی می باشد، به طوری که طيف وسيعی از کاربردھای صنعتی و غير صنعتی را در برمی گيرد. برخی مثالھا عبارتند از:

آئروديناميک ھواپيما و وسائل نقليه
ھيدروديناميک کشتی ھا
نيروگاه: احتراق در موتورھای IC و توربينھای گاز
توربوماشين: جريانھای داخل گذرگاه ھای دوار،پخش کننده ھا و غيره
مھندسی برق و الکترونيک: خنک کاری دستگاه ھايی که دارای مدارھای ريز می باشند.
مھندسی فرايند شيميايی: اختلاط، جداسازی، شکل گيری پليمر
مھندسی محيط زيست: توزيع آلودگی و جريانھای گذرا
مھندسی پزشکی: جريان خون عبوری از رگھا
ھواشناسی: پيش بينی وضع ھوا

از سال ٠۶١٩ به بعد صنعت ھوافضا روشھای CFD را در طراحی، تحقيق، و توسعه و ساخت موتورھای ھواپيما و جت ب هکار گرفته است.

اخيراً روشھايی برای طراحی موتورھای احتراق داخلی و محفظه ھای احتراق توربين ھای گاز و کوره ھا به کار می رود. بعلاوه سازندگان موتورھای وسائل نقليه ھمه روزه با استفاده از CFD نيروھای مقاوم ناشی از جريان ھوا روی بدنه و محيط داخل اتومبيل را پيش بينی می کنند. لذا CFD به طرز فزاينده ای به صورت يک جزء اساسی در طراحی توليدات صنعتی و فرآيندھا درآمده است.

بعلاوه CFD در طراحی سيستمھای سيالات چند مزيت منحصر به فرد نسبت به روشھای تجربی دارا می باشد:

کاھش اساسی در زمان و قيمت طراحی ھای جديد
توانايی مطالعه سيستمھايی که انجام آزمايش ھا روی آنھا مشکل و يا غير ممکن است (نظير سيستمھای خيلی بزرگ)
توانايی مطالعه سيستمھا تحت شرائط تصادفی و بالاتر ازحد معمول آنھا
سطح بسيار زياد جزئيات نتايج يک برنامه CFD چگونه کار می کند

ساختار برنامه ھای CFD روش عددی است، چھار روش اصلی برای روشھای عددی وجود دارد که عبارتند از:

تفاضل محدود
حجم محدود
المان محدود
روش ھای طيفی

در روشھای بالا اعمال زير انجام می شود:

تقريب متغيرھای مجھول جريان با استفاده از توابع ساده
گسسته سازی با استفاده از جايگذاری تقريبھا در معادلات حاکم بر جريان و سپس انجام تغييرات رياضی و …
حل معادلات جبری

تفاوت اصلی ميان اين ۴ روش (تفاضل محدود،المان محدود، حجم محدود و روشھای طيفی) به روشی که در آن متغيرھای جريان، تقريب می خورند و فرايند گسسته سازی صورت میگيرد، مربوط می شود.

روش حجم محدود

اين روش ابتدا به عنوان يک فرمول بندی اختلاف محدود ويژه توسعه و در چھار برنامه اصلی تجاری CFD مورد استفاده قرار می گيرد. الگوريتم ھای عددی شامل مراحل زير است:

انتگرال کلی از معادلات حاکم بر جريان سيال روی تمام حجم ھای کنترل مربوط به ميدان حل
گسسته سازی، شامل جايگذاری نوعی از تقريبھای اختلاف محدود برای عبارتھای داخل معادله انتگرال می باشد که فرايندھای جريان ھمانند جابجايی، نفوذ و چشمه ھا را نشان می دھد. اين عمل معادلات انتگرالی را به يک سيستم معادلات جبری تبديل می کند.

حل معادلات جبری با استفاده از روش تکرار

قدم اول، يعنی انتگرال گيری از حجم کنترل، روش حجم محدود را از ساير روشھای CFD متمايز می کند. ديدگاه حجم محدود بقاء محلی ھر خاصيت سيال را برای ھر حجم کنترل تضمين می کند. اين رابطه روشن بين الگوريتم عددی و قاعده کلی بقاء اصل فيزيکی، يکی از جاذبهھای اصلی روش حجم محدود را تشکيل میدھد و درک مفاھيم آن را برای مھندسين، خيلی سادهتر از روشھای المان محدود و طيفی برای بقاء يک متغير جريان Φ مھيا می کند. برای مثال يک مؤلفه سرعت يا آنتالپی در داخل يک حجم کنترل را میتوان به صورت يک تساوی بين فرايندھای متفاوت که منجر به افزايش يا کاھش آن می شود، نشان داد:

نرخ تغيير Φ در حجم کنترل نسبت به زمان = شارخالص Φ بدليل جابجايی به داخل حجم کنترل+ شار خالص Φ به دليل نفوذ به داخل حجم کنترل+نرخ خالص توليد Φ در داخل حجم کنترل

برنامه ھای CFD شامل گسسته سازی مناسب برای حل پديده ھای انتقالی مھم، جابجايی (انتقال به دليل جريان سيال)، نفوذ (انتقال به دليل تغييرات Φ از نقطه ای به نقطه ديگر) و ھمچنين عبارت ھای مربوط (ھمراه با توليد يا اتلاف Φ) و نرخ تغيير نسبت به زمان می باشند. ھمچنين پديده ھای فيزيکی اساسی، پيچيده و غير خطی می باشند. بنابراين يک روش حل تکرار مورد نياز است.

توضيح سازی و پايداری

فھم مناسب الگوريتم حل عددی نيز يک مسئله مھم است. سه ايده رياضی در مشخص کردن کارايی يا عدم کارايی ھر يک از الگوريتم ھا مفيد است:

ھمگرائی^[1]
سازگاری ^[2]
پايداری ^[3]

ھمگرايی، خاصيتی از روش عددی برای به دست آوردن جوابی است که به حل دقيق نزديک می باشد، به طوری که فاصله شبکه، اندازه حجم کنترل يا المان، به صفر ميل کند. طرحھای عددی سازگار، دستگاھی از معادلات جبری را ايجاد میکند که میتوان نشان داد با معادله حاکم اصلی، زمانی که فاصله شبکه به سمت صفر ميل می کند، معادل باشد. پايداری در روش عددی با ميرايی خطاھا ھمراه میباشد. اگر يک روش پايدار نباشد، حتی با گرد کردن خطاھا در داده ھای اوليه، می تواند موجب واگرايی يا نوسانات زياد گردد.

١-٣ مراحل کاری تمام برنامه ھای CFD از جمله FLUENT

تعيين ھندسه مسئله
شبکه بندی بندی (مشبک سازی)
جريان دائم يا غيردائم
جريان آرام يا مغشوش
جريان دو بعدی يا سه بعدی
جريان تک فازی يا چند فازی
تراکم پذير يا تراکم ناپذير
انتقال حرارت (معادله انرژی)
خواص مواد
شرايط مرزی

١-۴ توانايی ھای نرم افزار FLUENT

جريان حول يا داخل اجسام دو بعدی يا سه بعدی
جريان ھای تراکم پذير و تراکم ناپذير
ساختارھای دورانی يا ثابت^١
جريان ھای غيرلزج، لزج آرام و لزج آشفته
محيطھای متخلخل^٢
انتقال حرارت جابجايی (آزاد يا اجباری)
انتقال حرارت ھمبسته (شامل ھدايت، جابجايی و تشعشع)
انتقال حرارت تشعشعی
جريانات دائم يا غيردائم
احتراق
سيالات نيوتنی يا غير نيوتنی
فن ھای يک بعدی
مبدل ھای حرارتی
جريانھای چندفاز

ولی در پايان آنچه را يادآور میشوم اين است که تشخيص اعتبار مدل ھای فيزيکی و شيميايی بسته به پيچيدگی و دقت برنامه CFD دارد و دقت نتايج نھايی آن جز با مقايسه با نتايج علمی، غير ممکن می باشد.

ھر کسی می خواھد به طور جدی از CFD استفاده کند، بايد بداند که اين روش نمیتواند جانشين آزمايش گردد، ولی يک ابزار پر قدرت برای حل مسائل مختلف است. بررسی اعتبار CFD نيازمند اطلاعات بالا در جزئيات مربوط به شرائط مرزی مسئله و به دست آوردن حجم بالايی از نتايج است. در مواردی ممکن است تسھيلاتی جھت انجام آزمايش در دسترس نباشد، در چنين مواردی بايد استفاده کننده از CFD بر موارد زير تکيه کند [٢]:

- آزمايش قبلی
- مقايسه بين حل تحليلی جريان ھای مشابه ولی ساده تر
- مقايسه با داده ھای با کيفيت بالا

١-۵ ساختار برنامه FLUENT

گروه نرم افزاری FLUENT شامل محصولات زير است:

FLUENT: حل کننده
Pre PDF: پيش پردازنده برای مدل کردن احتراق در FLUENT
T GRID: پيش پردازنده کمکی که امکان توليد شبکه ھای حجمی را فراھم می کند.
فيلترھا: برای وارد کردن (يا خارج کردن) به (يا از) FLUENT از شبکه ھايی با المان ھای سطحی و حجمی از نرم افزارھای CAD/CAE (مانند نرمافزارھای NASTRAN ،I-DEAS ،ANSYS، AUTO CAD ،SOLID WORK ،PATRAN و …)

ھندسه و شبکه را میتوان توسط نرمافزار پيش پردازنده GAMBIT توليد کرد. ھمچنين میتوان از نرمافزارھای پيش پردازنده T Grid برای توليد شبکه ھای مثلثی و شبکهھای حجمی، چھاروجھی و شش وجھی از شبکه ھای مرزی موجود (که توسط نرمافزار GAMBIT يا توسط نرمافزارھای CAD/CAE به وجود آمده اند) استفاده کرد.

ھمچنين ممکن است شبکه توسط نرمافزارھای ANSYS يا I-DEAS و يا MSC/ARIES، MSC/NASTRAN ،MSC/PATRAN توليد شود[٢].

١-۶ قابليت ھای برنامه FLUENT

نرم افزار FLUENT قابليت شبيه سازی و مدل سازی موارد زيررا دارد:

جريان در ھندسه ھای پيچيده دو و سه بعدی با به کار بردن محاسبه ھای غيرساختيافته و بھينه سازی حل و شبکه
جريان تراکم پذير و تراکم نا پذير
تحليل دائم^١ يا گذرا^٢
جريانھای لزج، آرام و متلاطم
سيالھای نيوتنی و غير نيوتنی
انتقال حرارت جابجايی، شامل جابجايی آزاد يا اجباری
ترکيب انتقال حرارت جابجايی/ ھدايتی
انتقال حرارت تشعشعی
مدل چارچوب ھای چرخان يا ساکن
واکنش ھا يا ترکيبات شيميايی، شامل احتراق و مدل ھای واکنشی
اضافه کردن جملات اختياری حجمی از گرما، جرم، مومنتوم، اغتشاش و ترکيبات شيميايی

محاسبات لاگرانژی برای تغيير فاز از ذرات/ قطرات کوچک/ حبابھا يا شامل ترکيبی از ھمه با فاز يکنواخت
جريان در محيط متخلخل
مبدل ھای حرارتی، فنھا، رادياتورھا و بازده آنھا
جريانھای دوفازی، چندفازی^[4]
جريان ھای سطح آزاد^[5]

اين قابليتھا اجازه می دھد FLUENT در بازه بسيار بزرگی از صنايع شامل موارد زير به کار گرفته شود:

کاربرد در تجھيزات پروسسی و پتروشيمی- توليد انرژی (توان، نفت، گاز)
کاربردھای محيطی (تغييرات وضع آب و ھوا)- ھوافضا- توربو ماشينھا- اتومبيل
مبدل ھای حرارتی- الکترونيک (نيمه ھادی ھا و ھمچنين خنکسازی قطعات الکترونيک)
تھويه مطبوع و تبريد- فرآيند مواد و تحقيقات آتش و طراحی آرشيتکتی

به عبارتی FLUENT يک انتخاب بسيار مناسب برای مدل سازی جريان سيال تراکم پذير و تراکمناپذير در ھندسه ھای پيچيده می باشد. اين برنامه ھای جانبی که در کنار FLUENT بکار برده می شوند، شامل

.می باشد NECTON و FIDAP ،POLY FLOW ،AIR PACK ،ICE PACK ،MIXIM

١–٧ ديد کلی از نرم افزار FLUENT FLUENT از شبکه ھای بی سازمان برای کاھش زمانی که برای حل شبکه مصرف می شود، بھره می برد و نيز مدل سازی ھندسی وفرآيند توليد شبکه را ساده می کند و می توان مدل ھای پيچيده تر را نيز پياده کرد.

استفاده از شبکه ھای بدون ساختار موجب کاھش زمان ساخت شبکه، با توجه به سادهسازی مدل ھندسی و فرآيند توليد شبکه به اين نرم افزار می گردد. ھمچنين اين روش، پياده سازی شبکه ھای پيچيده تر را نسبت به روش قديمی (شبکه بندی چند بلوکی با سازمان) آسان تر می کند.

چنين قابليتی اين اجازه را به کاربران میدھد که يک توپولوژی شبکه بندی که مناسب کاربرد و مسئله مورد نظر باشد را انتخاب نمايد.

برای حل گراديانھای بزرگ در ميدان جريان میتوان شبکه را در نرم افزار FLUENT بھينه سازی کرد و دوباره مسئله را حل نمود تا به نتايج مورد نظر دست يافت. اما بايد به اين نکته توجه کرد که بھتر است ھندسه و شبکه اوليه (با ھر نوع المانی که در نظر گرفته شود) خارج از FLUENT با به کار بردن نرم افزار GAMBIT يا T GRID يا يکی از سيستم ھای CAD/CAE تھيه شود[٢].

[1] : convergence

[2] : consistency

[3] : stability

[4] : Multi Phase

[5] : Free Surface

: Steady State

: Stationary or rotating frames
: Porous media