شرط مرزی سرعت ورودی
Velocity Inlet Boundary Condition
شرط مرزی سرعت ورودی برای تعیین مقدار و جهت سرعت و همچنین پارامترهای اسکالر جریان در ورود به دامنه محاسباتی بکار گرفته می‌شود. در شرط مرزی سرعت ورودی، خواص سکون جریان ثابت نبوده بلکه بسته به مقدار و توزیع سرعت در ورودی تغییر می‌کند. از این شرط مرزی تنها برای شبیه‌سازی جریانهای تراکم‌ناپذیر استفاده می‌شود. چراکه در جریانهای تراکم‌پذیر شرائط سکون می‌تواند به هر اندازه‌ای افزایش یافته بطوریکه ممکن است منجر به کسب نتایج غیر فیزیکی شود. همچنین ممکن است در مواردی از شرط مرزی سرعت ورودی بعنوان شرط مرزی در خروج جریان استفاده شود (در اینصورت از پارامترهای اسکالر تعیین شده نقشی در محاسبات ندارد). در چنینی مواردی باید از صحت پیوستگی جریان در تمام دامنه محاسباتی مطمئن بود.
ورودی‌ها در شرط مرزی سرعت ورودی
در شبیه‌سازی عددی جریان، تعیین دقیق متغیرها و اسکالرهای جریان در مرزها از اهمیت بسیاری برخوردار است. بسته به نوع رژیم جریان، پارامترهای ورودی در مرز سرعت ورودی با یکدیگر متفاوت است. بطور کلی ورودیهای مربوط به شرط مرزی سرعت ورودی عبارتست از:
- مقدار سرعت و جهت جریان یا مقدار مؤلفه‌های سرعت
- سرعت چرخش (برای جریانهای دو بعدی تقارن محوری همراه با چرخش)
- دما (برای محاسبه معادله انرژی)
- فشار استاتیک در جریان خروجی (صرفا برای حلگر چگالی مبنا)
- پارامترهای آشفتگی (Turbulence Parameters) برای شبیه‌سازی جریانهای آشفته
- پارمترهای تابش در قسمت Radiation برای شبیه‌سازی جریانهای همراه با انتقال حرارت تابشی با استفاده از مدل‌های P-1، DTRM و DO
- نسبت جرمی گونه‌های شیمیایی یا کسر مولی در قسمت Species برای شبیه‌سازی جریانهای همراه با واکنش‌های شیمیایی
- نسبت ترکیب و واریانس (Mixture Fraction and Variance) در قسمت Species برای محاسبه احتراق غیر پیش آمیخته (Non-Premixed Combustion) یا احتراق پیش آمیخته جزئی (Partially Premixed Combustion)
- متغیر پیشرفت (Progress Variable) در قسمت Species برای محاسبه احتراق پیش آمیخته یا پیش آمیخته جزئی (premixed or partially premixed combustion)
- شرائط مرزی فاز گسسته (Discrete Phase) در قسمت DPM برای محاسبه جریان همراه با فاز گسسته
- نسب حجمی فازهای ثانویه در قسمت Multiphase برای شبیه سازی جریانهای چند فازی
- پارامترهای جریان کانال باز (Open Channel Flow) در قسمت Multiphase برای شبیه سازی جریانهای چند فازی به روش VOF
بسته به نوع رژیمهای جریان که در بالا عنوان شده، پارامترهای مربوطه در پانل شرط مرزی سرعت ورودی ظاهر شده که باید به درستی تعیین گردد (شکل -1).
تعیین سرعت در پانل شرط مرزی سرعت ورودی
برای تعیین سرعت در پانل شرط مرزی سرعت ورودی، می‌توان از یکی از سه روش زیر در کادر فهرست Velocity Specification Method، استفاده کرد:
- مقدار سرعت در جهت عمود بر مرز ورودی؛ گزینه Magnitude, Normal to Boundary
- مقدار مؤلفه‌های سرعت؛ گزینه Components
- مقدار سرعت و مؤلفه‌های بردار واحد جهت جریان؛ گزینه Magnitude and Direction
کادر فهرست Reference Frame در پانل تعیین شرط مرزی سرعت ورودی (شکل 6-7) برای انتخاب فرمولاسیون مطلق یا نسبی، بکار گرفته می‌شود. در صورت انتخاب یکی از گزینه‌های Components و یا Magnitude and Direction، لازمست که نوع سیستم دستگاه مختصات نیز مشخص شود. در مسائلی که جریان متقارن محوری و چرخشی است، می‌توان سرعت زاویه‌ای را نیز در مرز ورودی مشخص کرد. با تعیین سرعت زاویه‌ای، سرعت مماسی در هر نقطه با استفاده از رابطه Ωr محاسبه می‌شود که Ω، سرعت زاویه‌ای و r فاصله تا محور دوران می‌باشد.
تعیین مقادیر سایر پارامترهای اسکالر
اگر معادله انرژی نیز جزء معادلات حاکم بر جریان باشد، باید دما را نیز در مرز سرعت ورودی مشخص کرد. دمای مورد نظر همان دمای استاتیک می‌باشد که در کادر متن Temprature وارد می‌شود. درصورتیکه از حلگر چگالی مبنا برای شبیه‌سازی جریان استفاده شده، لازمست که فشار استاتیک خروجی در کادر متن Outflow Gauge Pressure در پانل شرط مرزی سرعت ورودی، نیز وارد شود. همچنین بسته به نوع رژیم جریان، باید پارامترهای اسکالر مختلفی را در شرط مرزی سرعت ورودی تعیین کرد.
فرآیند محاسبات در شرط مرزی سرعت ورودی
با تعیین شرط مرزی سرعت ورودی، نرم‌افزار فلوئنت از مؤلفه‌های سرعت ورودی و همچنین پارامترهای مشخص شده در پانل شرط مرزی سرعت ورودی، برای محاسبه دبی جرمی ورودی، شارهای ممنتم، انرژی و گونه‌های مختلف شیمیایی (برای جریانهای همراه با واکنش شیمیایی) استفاده می‌کند. نرخ دبی جرمی ورودی در المانهای مجاور مرز سرعت ورودی، با استفاده از رابطه (1) بدست می‌آید. باید توجه داشته که تنها مؤلفه سرعت عمود بر مرز ورودی، برای محاسبه نرخ دبی جرمی ورودی منظور می‌شود.
ممکن است در بعضی از مسائل، از شرط مرزی سرعت ورودی، برای تعیین پارامترهای جریان در مرزهای خروجی، نیز استفاده کرد. مثلاً در مرزهایی که نرخ دبی خروجی جریان مشخص است، یا اینکه بخواهیم شرایطی را بر جریان تحمیل کنیم. می‌توان از این روش برای تعیین خصوصیات جریان در خروج، بهره جست. در چنین حالتهایی باید از پیوستگی کامل جریان در ناحیه محاسباتی مطمئن بود. با استفاده از این روش در حلگر فشار-مبنا، نرم‌افزار فلوئنت، مقدار شرط مرزی را تنها برای مؤلفه سرعت عمود بر مرز خروجی، در نظر می‌گیرد. بنابراین سایر پارامترهای تعیین شده در شرط مرزی سرعت ورودی، در فرآیند محاسبات دخالت داده نمی‌شود. در عوض تمامی مقادیر این پارامترها بجز مؤلفه سرعت عمود بر مرز خروجی، برای المانهای بالادست مرز خروجی، در نظر گرفته می‌شود.
مطالب مرتبط
تعیین پارامترهای آشفتگی در مرزها