شبیه سازی جریان سیال بر روی استوانه با نرم افزار کامسول
این فایل شامل شبیه سازی جریان ناپایدار و تراکم ناپذیر سیالی است که از روی استوانه عبور می کند. در اینجا استوانه بلند و ثابت در یک کانال با زاویه قائم در نظر گرفته شده است. در اینجا سیلندر در مرکز کانال قرار گرفته است و موجب می شود جریان از حالت پایدار منحرف شود.
شبیه سازی انجام شده در این مدل وابسته به زمان (Time Dependent) بوده و یک الگوی جریان دوره ای را ایجاد می کند. یکی از پیش بینی ها انجام شده در این شبیه سازی عدد رینولدر در خروجی کانال است که در مهندسی با عنوان خیابان گرداب فن کارمان (به انگلیسی Van Karman vortex street) شاخته می شود. لازم به ذکر است عدد رینولدر در این شبیه سازی زیر 100 و در رژیم جریان آرام قرار دارد.
در این شبیه سازی عدد رینولدز برابر با 100 است که یک خیابان گردابی توسعه یافته فن کارمان را نشان می دهد. اما جریان هنوز کاملاً متلاطم نیست. شما می توانید این مقاله را در سایت کامسول پیدا کنید [لینک]
لینک دانلود
پسورد فایل فشرده:
مقدمه شبیه سازی جریان روی سیلندر
می دانیم محاسبه توزیع جریان سیال در پشت بدنه ای اجسام پیچیده مثل خودرو بسیار سخت است. بر این اساس لازم است پدیده هایی بر روی دنباله جریان حاصل از اشکال مختلف رخ می دهد را بررسی کنیم. در اینجا روی خیابان گرداب فن کارمان صحبت می کنیم که در دنباله جریان سیلندر ایجاد می شود.
این پدیده در دنباله جریان تمام اجسام متحرک در یک سیال اتفاق می افتد. از آن جمله می توان به تلاطم در لایه مرزی نازک کنار بدنه هواپیما اشاره کرد. این تلاطم از بخش های جلویی هواپیما ایجاد شده و روی لایه مرزی بخش های عقبی تاثیر می گذارد. نمونه ای از این پدیده را هر روزه ما مشاهده می کنیم. زمانی عبور آرام جریان باد از روی سیم های تلفن و برق موجب نوسان آن می شود. ارتعاش آنتن خودرو در مسیر حرکت از دیگر موارد است.
یک استثنا در ایجاد این دنباله جریان نیز وجود دارد. زمانی که بدنه به قدری باریک باشد که اثر آن روی جریان کم باشد، دنباله آن نیز تقریبا نزدیک به صفر است. بررسی دقیق این پدیده همیشه کم اهمیت نیست. زمانی که با تاثیر این پدیده در سازه های شهری و دریایی همچون پل ها و ساختمان ها سروکار داریم. به دست آوردن دقیق فرکانس حرکت دنباله و از اهمیت بالایی برخوردار است. به خصوص زمانی که یک طوفان از روی پل عبور می کند.
تعاریف و مدلسازی
همانطور که در بخش قبل اشاره شد، بررسی این پدیده بر روی اجسامی مانند پل ها پیچیده است. بر این اساس در این شبیه سازی به بررسی دنباله جریان یا خیابان گرداب فن کارمن در دنباله جریان یک استوانه در یک جریان تراکم ناپذیر می پردازیم. در اینجا جریان ناپایدار و وابسته به زمان در نظر گرفته شده و استوانه به صورت عمود بر کانال مورد مطالعه است.
با توجه به آن که برای ایجاد دنباله جریان به یک اغتشاش اولیه نیاز داریم. استوانه به طور کامل در مرکز قرار داده نشده است. اگرچه پیشبینی رسیدن جریان به یک روند دوره ای دشوار است (فرکانس جریان). اما در این شبیه سازی با رسم ضریب لیفت (Lift coeffiecient) بر حسب زمان، روند تکراری شدن الگوی جریان به دست آمده است. نمودار به دست آمده در زیر رسیم شده است.
پیش بینی زمان شبیه سازی لازم برای ظاهر شدن یک الگوی جریان دوره ای دشوار است. یک پیش بینی کننده کلیدی عدد رینولدز است که بر اساس قطر سیلندر است. برای مقادیر کم (زیر 100) جریان ثابت است. در این شبیه‌سازی، عدد رینولدز برابر با 100 است که یک خیابان گرداب فون کارمان توسعه‌یافته را نشان می‌دهد، اما جریان هنوز کاملاً آشفته نیست.
فرکانس و دامنه نوسانات ویژگی های پایداری هستند، اما جزئیات جریان به اغتشاشات بسیار حساس هستند. برای به دست آوردن قدردانی از این حساسیت، می‌توانید تصاویر جریانی را که همزمان گرفته شده‌اند، اما با تفاوت‌های جزئی که توسط تلورانس‌های مختلف برای مرحله زمانی ایجاد می‌شوند، مقایسه کنید. توجه به این نکته مهم است که این حساسیت یک واقعیت فیزیکی است و صرفاً یک مصنوع عددی نیست.
قبل از محاسبه نیروهای متغیر زمان بر روی استوانه، می‌توانید روش محاسبه را با عدد رینولدز پایین‌تر با استفاده از حل‌کننده غیرخطی مستقیم تأیید کنید. این باعث صرفه جویی در زمان می شود زیرا می توانید خطاها و اشتباهات ساده را قبل از شبیه سازی نهایی وابسته به زمان پیدا کرده و تصحیح کنید که به زمان قابل توجهی نیاز دارد.
نیروهای ویسکوز روی سیلندر با گرادیان میدان سرعت در سطح سیلندر متناسب است. ارزیابی گرادیان سرعت روی مرز با تمایز مستقیم راه حل FEM ممکن است اما خیلی دقیق نیست. تمایز چند جمله ای های مرتبه 1 را هنگامی که از عناصر مرتبه دوم برای میدان سرعت استفاده می شود، تولید می کند. یک رویکرد به مراتب بهتر استفاده از یک جفت عملگر نیروی واکنش برای محاسبه انتگرال نیروهای ویسکوز است که با انتگرال های دقیق مرتبه دوم نیروهای ویسکوز قابل مقایسه است. یک رویکرد جایگزین استفاده از یک جفت متغیر با محدودیت ضعیف برای اعمال شرایط بدون لغزش است. هنگام محاسبه انتگرال نیروهای واکنش یا شار در پس پردازش، ترجیحاً از عملگر نیروی واکنش به جای قیود ضعیف استفاده کنید.
