شرط مرزی جریان خروجی
Outflow Boundary Condition
درصورتیکه سرعت یا فشار در مرز خروجی مشخص نباشد، از شرط مرزی جریان خروجی استفاده می‌شود. برای تمام رژیمهای جریان (بجز جریانهای همراه با انتقال حرارت تابشی در مرز خروجی، فاز گسسته ذرات یا جریان جرمی انشعابی(Split Mass Flow)) در شرط مرزی جریان خروجی هیچ پارامتری از جریان تعیین نمی‌شود. در نرم‌افزار Fluent مقادیر پارامترهای جریان در این مرز، با برونیابی مقادیر در ناحیه داخلی دامنه محاسباتی، بدست می‌آید. به هرصورت باید بخاطر داشت که محدودیت‌هایی نیز در بکارگیری از شرط مرزی فوق وجود دارد. این محدودیت‌ها عبارتست از:
- در مسائلی که در ورودی جریان، از شرط مرزی فشار ورودی استفاده شده، باید از شرط مرزی فشار خروجی به جای جریان خروجی در خروجی میدان جریان استفاده شود.
- شرط مرزی جریان خروجی با جریانهای تراکم‌پذیر سازگار نیست.
- در صورتشبیه سازی جریان ناپایا و با چگالی متغیر (حتی اگر سیال تراکم‌ناپذیر باشد)، ارجحیت بر بکار گیری شرط مرزی فشار خروجی است.
- زمانی از شرط مرزی جریان خروجی استفاده می‌شود که جریان در خروجی کاملاً توسعه یافته باشد.
- اگر شاهد جریان برگشتی در مرز خروجی باشیم یا اینکه جریان در مرز خروجی کاملا توسعه یافته نباشد، آنگاه استفاده از شرط مرزی فشار خروجی در اولویت قرار خواهد گرفت.
شرط مرزی جریان خروجی ممکن است در مسائل تراکم ناپذیر همراه با مدل‌های چند فازی Mixture یا Eulerian بکار رود.
رفتار نرم‌افزار Fluent در شرط مرزی جریان خروجی
شرط مرزی جریان خروجی که در نرم‌افزار Fluent بکار گرفته می‌شود، از موارد زیر پیروی می‌کند:
- شار انتشار صفر برای تمام متغیرهای جریان.
- تصحیح بالانس جرمی.
شرط شار انتشار صفر منظور شده در مرز خروجی به این مفهوم است که متغیرهای جریان در این نوع مرز، از داخل میدان جریان برونیابی شده و تحت تأثیر جریان بالادست قرار نمی‌گیرد. فرآیند برونیابی استفاده شده در نرم‌افزار Fluent، سرعت و فشار خروجی را با فرض کاملاً توسعه یافته بودن جریان در مرز خروجی، تصحیح می‌کند. جریان کاملاً توسعه یافته به جریانی گفته می‌شود که پروفیل سرعت (و/یا سایر پروفیل‌ها نظیر دما) در جهت جریان تغییر نمی‌کند. ذکر این نکته ضروریست که ممکن است در مرز جریان خروجی گرادیان‌هایی در جهت جریان عرضی(Cross-Stream) نیز وجود داشته باشد. اما به هر حال در این مرز همواره تنها شارهای انتشار در جهت عمود بر مرز خروجی صفر است.
استفاده از شرط مرزی جریان خروجی
همانطور که در بالا اشاره شده، شرط مرزی جریان خروجی تنها برای جریانهای کاملاً توسعه یافته در مرز خروجی، کاربرد دارد. البته ممکن است از این شرط مرزی در جائیکه جریان کاملاً توسعه نیافته، نیز استفاده شود. در چنین شرائطی فرض صفر بودن شار انتشار، اندکی در روند حل تأثیر گذار خواهد بود. بطور کلی مکان مناسب مرز جریان خروجی در مثال زیر بررسی شده است.
در شکل زیر یک مثال ساده دو بعدی از جریان پشت پله نشان داده شده است. موقعیت D بیانگر مرز خروجی واقعی جریان می‌باشد. با توجه به شکل جریان در موقعیت C کاملاً توسعه یافته می‌باشد. بنابراین اگر مرز جریان خروجی در موقعیت D قرار گیرد، ایده‌آل می‌باشد. در صورتیکه مرز جریان خروجی در موقعیت C واقع گردد، استفاده شرط مرزی جریان خروجی کاملاً قابل قبول است. اما اگر موقعیت B بعنوان مرز خروجی فرض شود، این فرض فرض درستی نبوده و پاسخ نهایی خطای قابل توجهی دارد. در نهایت اگر شرط مرزی جریان خروجی در موقعیت A اعمال شود، بهیچ عنوان مناسب نبوده و انجام اینکار حتی موجب واگرائی حل مسئله می‌شود. از آنجائیکه در دو موقعیت B و A (بویژه در موقعیت A) جریان برگشتی وجود دارد، انتخاب شرط مرزی جریان خروجی در این مکانها امری کاملاً اشتباه خواهد بود.
باید توجه داشت، درصورتیکه در طی فرآیند حل در هر نقطه از مرز خروجی، برگشت جریان(Recirculation) رخ دهد، آنگاه همگرائی حل، حتی اگر در حل نهایی چنین اتفاقی (برگشت جریان) رخ ندهد، تحت تأثیر قرار خواهد گرفت.
مکان‌های فرضی به عنوان مرز جریان خروجی در طول دامنه محاسباتی.
شرط مرزی جریان جرمی انشعابی
Fluent می‌تواند از چند مرز جریان خروجی استفاده کند. در این حالت کافیست نسبت جرم عبوری از هر یک از مرزهای جریان خروجی مشخص گردد. در پانل تعیین شرط مرزی جریان خروجی (شکل بالای صفحه)، کادر متن Flow Rate Weigthing برای تعیین درصد جریان عبوری در مرز منتخب می‌باشد. درصد جریان عبوری در هر مرز از رابطه زیر بدست می‌آید.
درصد جریان عبوری از یک مرز=ضریب وزنی نرخ جریان عبوری در هر مرز تقسیم بر مجموع ضرایب وزنی
مقدار پیش‌فرض این ضریب در پانل Outflow، برابر یک است. اگر ضریب وزنی جریان عبوری از هریک از این نوع مرزها با یکدیگر برابر بوده و یا اینکه تنها یک مرز جریان خروجی وجود داشته باشد، نیازی به تغییر این ضریب نمی‌باشد. در حالتی که نسبت جریان عبوری از چند مرز جریان خروجی با هم برابر باشد، نرم‌افزار فلوئنت طوری جریان عبوری از هر مرز را محاسبه می‌کند که نسبت آنها کاملاً یکسان باشد.
درصورتیکه ضریب وزنی جریان عبوری در مرزها متفاوت باشد، لازمست این ضریب بطور صحیح مشخص گردد. بعنوان مثال اگر ضریب وزنی جریان در دو مرز خروجی 0.75(برای مرز اول) و 1(برای مرز دوم) مشخص گردد، درصد جریان عبوری از هر مرز طبق روابط زیر محاسبه می‌شود:
تعریف سایر پارامترها در مرز جریان خروجی
همانطور که گفته شد، بطور کلی نیازی به تنظیم شرایط خاصی در مرز جریان خروجی نیست. با اینحال اگر در شبیه سازی از یکی از مدل‌های انتقال حرارت تابشی P-1، DTRM، DO، S2S و یا MC استفاده می‌کنید لازمست مقدار انتشار میدان جریان را در قسمت Internal Emiddivity و همینطور دمای جسم سیاه خارجی را در قسمت External Black Body Temperature Method مشخص کنید. همچنین در صورت مدلسازی ذرات فاز گسسته می‌توانید سرنوشت ذرات عبوری از مرز جریان خروجی را در کادر Disceret Phase BC Type مقدر نمایید! شکل بالای صفحه.
مطالب مرتبط