مدلسازی جریان چندفازی با استفاده از روش VOF

مدلسازی جریان چندفازی با استفاده از روش Volum Of Fluid: VOF

Multiphase Flow Simulation Using Volume OF Fluid Method

در روش حجم سیال (Volume OF Fluid: VOF)، شبیه‌سازی دو یا چند سیال غیر قابل نفوذ در یکدیگر با استفاده از حل معادلات مومنتم و مسیریابی کسر حجمی هر یک از سیالات در دامنه محاسباتی، امکان پذیر است. این مدل برای جریان‌های دو یا چند فازی غیر قابل نفوذ بکار می‌رود. برای هر فاز اضافه شده، متغیر کسر جرمی فاز در المان محاسباتی منظور می‌شود. بطور کلی در هر حجم کنترل، مجموع کسرهای حجمی باید برابر یک باشد. از آنجا که کسر حجمی هر یک از فازها در هر المانی مشخص می‌باشد، بنابراین متغیرها و ویژگیهای جریان در هر المان براساس کسر حجمی فازها محاسبه می‌شود.

به دلیل حجم زیاد مبانی تئوری مرتبط با روش VOF بجای پرداختن به آن‌ها در این صفحه، مطالب در یک فایل پیوست ارائه شده است. بطور کلی مهمترین مباحث مطرح مدل VOF بویژه برای نرم افزار Fluent که در این فایل پیوست گنجانده شده عبارتند از:

الف: معادلات بقای حجمی و رصد مرز مشترک بین فازها شامل:

معادله کسر حجمی
- فرمولاسیون ضمنی
- فرمولاسیون صریح
- میانیابی نزدیک مرز بین فازها
  - روش تجدید ساختار هندسی (Geo-Reconstruction)
  - روش Donor-Acceptor
  - روش تسخیر مرز تراکمی برای شبکه‌های دلخواه(The Compressive Interface Capturing Scheme for Arbitrary Meshes (CICSAM))
  - روش تراکمی و تغییرات مرز-مدل-مبنا (The Compressive Scheme and Interface-Model-based Variants)
  - روش بیشینه گرادیان محصور (Bounded Gradient Maximization (BGM))

ب: معادلات حاکم بر میدان جریا ن از قبیل:

خصوصیات سیال
معادله مومنتم
معادله انرژی
سایر معادلات اسکالر

ج: نیروهای وارده بر مرزهای هر فاز با فاز دیگر یا با دیواره شامل:

کشش سطح و چسبندگی دیواره (Surface Tension and Wall Adhesion)
- کشش سطح
  - مدل نیروی سطحی پیوسته Continuum Surface Force Model: CSF
  - مدل تنش سطحی پیوسته Continuum Surface Stress: CSS
  - مقایسه بین روش‌های CSF و CSS
  - اهمیت اثرات کشش سطحی
- چسبندگی دیواره (Wall Adhesion)
- چسبندگی پرش (Jump Adhesion)

د: شبیه سازی جریان در رودخانه‌ها، دریاها، اقیانوس‌هاف سدها، کانال‌ها و موارد مشابه با ملاحظات زیر:

جریان کانال باز (Open Channel Flow)
- شرایط مرزی در بالادست (Upstream Boundary Conditions)
  - شرط مرزی فشار ورودی (Pressure Inlet)
  - دبی جرمی (Mass Flow Rate)
  - تعیین کسر حجمی
- شرایط مرزی پایین دست (Downstream Boundary Condition)
  - شرط مرزی فشار خروجی (Pressur-Outlet Boundary Condition)
  - جریان خروجی (Outflow Boundary Condition)
  - مشخص نمودن کسر حجمی جریان پشت (Backflow Volume Fraction)
- میرایی امواج با استفاده از روش Numerical Beach Treatment (NBT)

ه: شبیه سازی انواع موج در آب‌های آزاد برای بررسی اثرات آن‌ها روی کشتی‌ها، پل‌ها، اسکله‌ها و …

شرایط مرزی موج کانال باز (Open Channel Wave Boundary Condition)
- تئوری موج هوایی (Airy Wave Theory)
- تئوری‌های موج استوکس (Stokes Wave)
- تئوری امواج سنویدال/سولیتاری (Cnoidal/Solitary wave)
- انتخاب تئوری موج مناسب
- برهم نهی امواج خطی (Superposition of Linear Waves)
- مدلسازی امواج تصادفی با استفاده از طیف موج (Modeling of Random Waves Using Wave Spectrum)
  - تعاریف
  - تئوری پیاده سازی طیف موج
    - امواج دراز تصادفی تک راستا (Long-Crested Random Waves (Unidirectional))
    - امواج تصادفی کوتاه چند راستا Short-Crested Random Waves (Multi-Directional))
    - برهم نهی مؤلفه‌های موج منفرد با استفاده از طیف موج
  - انتخاب طیف موج مناسب و ورودی‌ها