Rotating Flow Simulation in CFD Softwares
بخش مهمی از جریانهای سیال در صنعت به جریانهای چرخشی (Swirling Flow) و جریانهای دورانی (Rotating Flow) اختصاص دارد. جریانهای چرخشی به جریانهای عبوری از بیرون یا درون اجسام متقارن محوری (Axisymmetric Bodies) چرخنده حول دوران خود (مثل جریان اطراف مخروط یا داخل لوله در حال چرخش حول محور تقارن خود) گفته می‌شود. لازم به ذکر است تقارن محوری (Axial Symmetry) زمانی برقرار است که در آن جسم یا ساختار با دوران حول محور تقارن به هر مقدار دلخواه، دقیقاً بر حالت اولیهٔ خود منطبق شود. جریانهای دورانی معرف جریان در ماشین‌های دوار مثل توربین،کمپرسور، پمپ، فن، پروانه و هر جسم نامتقارن محوری چرخنده حول محور دوران خود می‌باشند.
جریانهای چرخشی (Swirling Flow)
همانطور که گفته شد جریان چرخشی مختص اجسام و هندسه‌های متقارن محوری می‌باشد. این هندسه‌ها می‌توانند لوله، مخروط و اشکالی از این دست باشند. جریانهای چرخشی الزاما دارای یک حرکت دورانی حول محور دوران خود و احتمالا یک جریان محوری هستند. در شکل زیر مثالی از جریان حول یک مخروطی دوار نشان داده شده است.
اما چرا جریانهای چرخشی در دسته جریانهای دورانی قرار نگرفته است؟ پاسخ اینست که جریان چرخشی را می‌توان در فضای دوبعدی و با استفاده از روابط 2D-Axisymmetric (شکل‌های زیر) مدلسازی دو بعدی جریانهای چرخشی)مدلسازی نمود.
جریانهای دورانی (Rotating Flow)
جریانهای دورانی عموما مرتبط با جریان در داخل توربوماشینها هستند. همچنین جریان هوا حول پروانه هلیکوپتر، ملخ هواپیما، توربین‌های بادی و موارد مشابه دیگر نیز جزء جریانهای دورانی به شمار می‌روند. این جریان‌ها را نمی‌توان با فرض دو بعدی و در فضای دو بعدی شبیه‌سازی نمود.
مسئله مهم در جریانهای دورانی متناوب/پریودیک بودن (Periodic) یا نبودن (Non-Periodic) آن است. توربوماشین‌های (فن‌ها، کمپرسورها و توربین‌ها) محوری دارای جریان پریودیک و توربو ماشین‌های شعاعی دارای جریان غیر پریودیک هستند. در جریانهای پریودیک می‌توان تنها یک بخش از کل دامنه محاسباتی را که جریان آن در سایر بخش‌ها تکرار می‌شود حل کرد. به عنوان مثال در شکل بالا که جریان بین تمامی تیغه‌های توربین مشابه است و تکرار می‌شود را می‌توان تنها با مدلسازی جریان حول یک تیغه (شکل پایین)، پاسخ‌های بدست آمده را به سایر تیغه‌ها تعمیم داد.
نرم افزارهای CFD و شبیه سازی میدان‌های جریانهای چند فازی
چگونگی شبیه‌سازی جریانهای دورانی و امکانات مورتبط موجود در نرم افزارهای Ansys Fluent و Ansys CFX از جمله مواردی است که قطعا مورد توجه کاربران محترم می‌باشد از این‌رو تلاش شده تا اطلاعات مناسبی در اختیار خوانندگان گرامی قرار گیرد. به عنوان اولین نکته، نرم افزار CFX برخلاف نرم افزار Fluent توانایی شبیه‌سازی دو بعدی جریانهای چرخشی متقارن محوری را ندارد. در عوض این نرم افزار از امکانات منحصر به فرد و مختص خود با عنوان CFX-Turbo برای تولید شبکه محاسباتی در توربوماشینها استفاده می‌کند.
نرم افزار Gambit (نرم افزار پیش پردازش مدلسازی و شبکه بندی)
نرم افزار Gambit با داشتن ماژول Tools/Turbo(شکل زیر) توانایی تولید دامنه و شبکه محاسباتی مختص توربوماشینها بطور مستقیم نرم افزار Fluent را پشتیبانی می‌کند، البته هر چند توسعه این نرم افزار متوق شده اما بطور گسترده‌ای از آن برای تولید دامنه محاسباتی ماشین‌های دوار به منظور ایجاد فایل ورودی مناسب برای نرم افزار Fluent استفاده می‌شود.
مدلسازی و تولید شبکه محاسباتی در Gambit به این شکل است که در ابتدا هندسه یک تیغه (پره) از ماشین دوار را تولید کرده و سپس با تعیین مرزهای مناسب معرفی شده در شکل‌های زیر فضای محاسباتی را مشخص کرده و در نهایت آنرا شبکه‌بندی نمود.
پس از مدلسازی فضای محاسباتی مناسب برای یک تیغه (پره) توربو ماشین، می‌توان تصویری از کل آن را مشاهده نمود. به عنوان مثال مدل تولید شده توربوماشین متناسب با دامنه محاسباتی نشان داده در شکل بالا بصورت تصویر زیر می‌باشد.
نرم افزار TurboGrid (نرم افزار پیش پردازش مدلسازی و شبکه بندی)
نرم افزار TurboGrid به عنوان یکی از 4 مؤلفه اصلی نرم افزار CFX وظیفه مدلسازی هندسی و تولید شبکه محاسباتی توربوماشینها را بر عهده دارد.
در این نرم افزار نیز همانند نرم افزار Gambit، بخشی از توربوماشین مدل شده و سپس با استفاده از شرایط مرزی پریودیک نتایج بدست آمده برای یک تیغه یا پره، به کل آن (توربو ماشین) تعمیم داده می‌شود.
نرم افزار Fluent
نرم افزار Fluent از قابلیت شبیه‌سازی جریانهای متقارن محوری (Axisymmetric) و متقارن محوری چرخان (Axisymmetric Swirl) در فضای دو بعدی و حل کل میدان جریان دورانی در توربوماشینها و سایر دستگاه‌ها در فضای سه بعدی برخوردار است. در این مطلب سعی شده تا چگونگی کارکرد این نرم افزار برای شبیه‌سازی جریانهای دورانی دو بعدی و سه بعدی معرفی گردد.
شبیه‌سازری جریانهای متقارن محوری (Axisymmetric)، متقارن محوری چرخان (Axisymmetric Swirl) و دورانی دو بعدی با استفاده از نرم افزار Fluent
قبل از هر چیز برای حل میدان جریانهای معرفی شده در بالا با استفاده از نرم‌افزار Fluent، لازمست هنگام فراخوانی این نرم افزار، از نسخه دو بعدی آن -با انتخاب گزینه 2D در قسمت Dimension (شکل زیر)- بهره گرفت.
با انتخاب گزینه مناسب برای شبیه سازی جریانهای Axisymmetric ، Axisymmetric Swirl و جریانهای دورانی دو بعدی (Planar) می‌توان آن‌ها را شبیه سازی نمود.
پس از انتخاب گزینه مناسب برای شبیه سازی جریانهای چرخشی یا دورانی دو بعدی، دامنه متحرک یا مرز دوار جسم را مشخص نمود.
در جریانهای دورانی دو بعدی مثل شبیه سازی مقاطع Blowerها، از Multiple Reference Frame:MRF برای تعریف حرکت دامنه محاسباتی استفاده می‌شود (شکل زیر) علاوه بر این نیز لازمست حرکت مرزهای دیواره نسبت به نواحی اطرافش نیز تنظیم شود.
اولین نکته در شبیه‌سازی جریان‌ها متقارن محوری ثابت و چرخشی (Axisymmetric و Axisymmetric ُSwirl اینست که محور تقارن جسم دقیقا منطبق با محور X دستگاه مختصات محاسباتی در نرم افزار Fluent باشد. برای تعریف چرخش تنها لازمست سرعت دورانی روی مرزها در قسمت Boundary Condition مشخص گردد و البته محور دوران طبق پیش فرض همان محور X خواهد بود و بنابرین نمی‌توان دخل و تصرفی در انتخاب محورد دوران داشت. (همانند شکل زیر)
شبیه‌سازری جریانهای دورانی سه بعدی با استفاده از نرم افزار Fluent
در نرم افزار Fluent بر خلاف CFX، ماژول یا بخش خاصی برای تعریف شرایط مسائل مرتبط با جریانهای دورانی و بوِزه توربو ماشین‌ها وجود ندارد. در واقع در این نرم افزار، فضای محاسباتی ماشین‌های دوار به عنوان یک فضای متحرک با سرعت، محور و مرکز دوران مشخص، از طریق MRF (شکل زیر) تعریف می‌شود. البته همانند حالت دو بعدی لازمست حرکت دیواره‌های ثابت و مدور نسبت به نواحی مختلف نیز تنظیم گردد. لازم به ذکر است شبیه‌سازی تمام فضای دامنه محاسباتی یا بخشی از آن همراه با شرایط مرزی پریودیک، در نرم افزار یاد شده امکان‌پذیر است.
نرم افزار CFX
نرم افزار CFX از یک ماژول تخصصی برای تعریف و تنظیم شرایط مسئله در ماشین‌های دوار برخوردار است که Turbomachinery نام دارد. با استفاده از این ماژول به راحتی می‌توان شرایط مسئله را برای انواع توربوماشینها مثل فن، پمپ، کمپرسور و موارد مشابه (شکل زیر) مشخص نمود.
علاوه بر امکانات فوق، همانند نرم افزار Fluent، در نرم افزار CFX نیز می‌توان شرائط حل مسئله جریان دورانی را با استفاده از تعیین مشخصات حرکتی ناحیه مدور تعریف نموده و جریان را بطور بی‌واسطه و بدون استفاده از امکاناتی نظیر Turbomachinery، در نرم افزار CFXشبیه سازی نمود. چگونگی تعریف دامنه متحرک در نرم افزار CFX در شکل زیر نشان داده شده است.
لازم به ذکر است تنظیم و تعیین حرکت دیواره‌ها بویژه نسبت به نواحی متحرک از الزامات است و باید اینکار را با استفاده از بخش Wall Velocity در پانل Boundary Details مرزهای دیواره (شکل زیر) انجام داد.
قابل توجه است تنها نقطه ضعف نرم‌افزار CFX نسبت به نرم افزار Fluent، عدم توانایی آن در شبیه‌سازی جریانهای دورانی دو بعدی، متقارن محوری (Axisymmetric) و متقارن محوری چرخان (Axisymmetric Swirl) می‌باشد.
برای کسب اطلاعات بیشتر با ما تماس بگیرید
محمدرضا کلیچ