شبیه سازی کاویتاسیون در فلوئنت – سوپر کاویتاسیون در انسیس فلوئنت (cavitation ansys fluent)

شبیه سازی کاویتاسیون در فلوئنت یکی از توانایی های جذاب این نرم افزار انسیس فلوئنت بوده که مورد علاقه صنعتگران و پژوهشگرانی زیادی می­ باشد.  در این ورک شاپ ما به بررسی چگونگی ایجاد کاویتاسیون ، سوپر کاویتاسیون و نحوه شبیه سازی کاویتاسیون در فلوئنت  با استفاده از اعتبار سنجی مقالات معتبر علمی ISI می ­پردازیم.

مقالات ISI اعتبار سنجی شده در ورک شاپ شبیه سازی کاویتاسیون در فلوئنت:

✅ بررسی و مطالعه عددی و آزمایشگاهی کاویتاسیون در واتر جت ها

هدف از بررسی این مقاله شبیه سازی کاویتاسیون در انسیس فلوئنت و تاثیر دهانه جت در ایجاد فاز بخار بوده است . در این مقاله داده های حاصل از شبیه سازی برای هندسه های متفاوت واترجت با داده های آزمایشگاهی اعتبارسنجی شده است.

✅ مطالعه عددی کاویتاسیون در پمپ های گریز از مرکز

استفاده از پمپ های گریز از مرکز همواره مشکلاتی مانند ایجاد فاز بخار و در پی آن خرابی در قسمت های مختلف پمپ داشته است در این مقاله با استفاده از ماژول BladeGen  یک پمپ گریز از مرکز طراحی کرده و با استفاده نرم افزار فلوئنت پدیده کاویتاسیون شبیه سازی شده است. همچنین در ادامه برای کاهش فاز بخار راه کارهای متعددی ارائه شده است.

✅ بررسی و مطالعه عددی سوپر کاویتاسیون در روند های زیر سطح آب

پدیده کاویتاسیون نیز در کنار اثار مخرب دارای مزیت های بسیار مفیدی می باشد. امروزه با استفاده از سوپرکاویتاسیون ها حول جسم های رونده زیر آب نیروی درگ وارده بر جسم را تا حد بسیار مطلوبی کاهش داده اند. هدف از بررسی این مقاله شبیه سازی کاویستایون برروی روندهای با سرعت بالا بوده که به موجب قرار گرفتن در زیر لایه از فاز بخار و کاهش اصطکاک، سرعت جسم افزایش چشمگیری پیدا خواهد کرد.

آموزش شبیه سازی کاویتاسیون در انسیس فلوئنت

در این ورک شاپ ابتدا به معرفی پدیده کاویتاسیون پرداخته شده و سپس در مورد انتخاب حلگرهای مناسب برای مسائل مختلف ، توضیحات کاملی بیان گردیده است. و همچنین انواع روش های شبیه سازی کاویتاسیون در انسیس فلوئنت و پارامترهای تاثیر گذار برروی همگرایی شبیه سازی بررسی شده است.

آموزش شبیه سازی کاویتاسیون در انسیس فلوئنت ( Cavitation in Ansys Fluent)

✅ آنچه در ورک شاپ شبیه سازی کاویتاسیون در انسیس فلوئنت خواهیم آموخت:

1. نحوه استخراج ابعاد گزارش نشده در هندسه های مقالات
2. نحوه شبکه بندی سازمان یافته
3. انتخاب روش چند فازی مناسب برای شبیه سازی کاویتاسیون در فلوئنت
   
4. نحوه اعمال شرایط مرزی
   
5. مقایسه نتایج گزارش شده با شبیه سازی انجام شده
6. بدست آوردن عدد کاویتاسیون
7. عوامل تشدید کاویتاسیون در واتر جت ها

سرفصل­های تدریس شده در ورک شاپ مدلسازی کاویتاسیون با فلوئنت :

✅ این ورک شاپ شامل شبیه سازی موارد زیر می باشد :

1.  شبیه سازی عددی پدیده کاویتاسیون در واتر جت ها
2.  بررسی و شبیه سازی سوپر کاویتاسیون بر روی کاویتاتور
3.  بررسی و مدل سازی کاویتاسیون با فلوئنت برروی پمپ های سانتریفیوژ

اما یک سوال اساسی این است که آیا کاویتاسیون همیشه موجب خرابی می شود؟ آیا این پدیده سیاه مطلق است ؟ پاسخ به این سوال در بخش بعدی ورک شاپ داده می­شود. یکی از استفاده های کاویتاسوین در بخش نظامی است که با استفاده از ایجاد حباب اطراف اژدرها موجب افزایش چشمگیر سرعت آن ها می­ شود.

شبیه سازی سوپرکاویتاسیون در انسیس فلوئنت

در این ورک شاپ همچنین به بررسی سوپر کاویتاسیون ها می پردازیم و با نحوه شبیه سازی آن ها آشنا می شویم. که شمال مراحل زیر می باشد:

• مدل سازی کاویتاتور
• شبکه بندی کاویتاور به صورت سازمان یافته
• انتخاب حلگر مناسب برای همگرایی این دسته از مسائل
• بررسی نتایج شبیه سازی
• مقایسه طول کاویتاسیون در سرعت های متفاوت
• استفاده از تک پلات و نحوه بدست آوردن عدد کاویتاسیون

شبیه سازی کاویتاسیون در پمپ های سانتریفیوژ

در بخش بعدی آموزش به سراغ روش بررسی کاویتاسوین در پمپ های سانتریفیوژ می رویم. یکی از مشکلاتی که در پمپ ها مشاهده می شود ایجاد کاویتاسیون در قسمت impeller  ها می باشد. در این بخش به شبیه سازی کاویتاسیون در پمپ ها با انسیس فلوئنت پرداخته می شود.

• طراحی یک پمپ با استفاده از Bladegen در انسیس ورک بنچ
• شبکه بندی پمپ به صورت پریودیک در انسیس مشینگ
• استفاده از روش SRF برای شبیه سازی پمپ های سانتریفیوژ
• بررسی نتایج

البته با توجه به گستردگی مطالب این حوزه حتما به مرور اپدیت هایی نیز در آموزش ها صورت می گیرد و تحویل دانشجویان عزیز خواهد گردید.

معرفی پدیده کاویتاسیون

قبل از این که به آموزش شبیه سازی کاویتاسیون در انسیس فلوئنت بپردازیم مروری برروی تاریخچه این پدیده خواهیم داشت. نيوتن اولين فردي بود كه بطور تصادفي در سال 1754 در حين آزمايش عدسي هاي محدب به پديده كاويتاسيون و تشكيل حباب در مايعات برخورد كرد ولي نتوانست علت آن را شناسايي كند. او مشاهدات خود را چنين بيان كرده است:

“در مايع بين عدسيها، حبابهايي به شكل هوا بوجود آمده و رنگهايي شبيه به هم توليد كرده كه اين حبابها نمي‎تواند از جنس هوا باشد زيرا مايع قبلاً هوا زدايي شده است.”

نيوتن تشخيص داد كه اين عمل نتيجه بيرون آمدن هوا در اثر كاهش فشار است و حبابها دوباره نمي‎توانند در مايع حل شوند و در نتيجه پديده كاويتاسيون را باعث خواهند شد.
مهندسان كشتي‎سازي در قرن نوزدهم به شكل عجيبي برخورد كردند. آن اين بود كه پيچهاي توربين ها كه با آب دريا در تماس بودند بعد از مدتي باز مي‎شدند، آنها نتوانستند هيچ دليل قانع كننده‎اي  براي اين عمل پيدا كنند.

سوپرکاویتاسیون اطراف اژدر شلیک شده از زیر دریایی

تعريف و اساس فرآيند كاويتاسيون

به تشكيل و فعاليت حباب در مايع كاويتاسيون گويند. وقتي مايع در فشار ثابت، به اندازه كافي گرم شود يا هنگامي كه در دماي ثابت، متوسط فشار استاتيكي يا ديناميكي‎اش به اندازه كافي كاهش يابد، حبابهايي از بخار و يا گاز بخار تشكيل مي‎شود. بطوري كه حتي با چشم هم گاهي اوقات قابل مشاهده است. با كاهش فشار يا افزايش دما، اگر حباب تنها شامل گاز باشد ممكن است با نفوذ گازهاي غيرمحلول ازمايع به حباب، منبسط شود.

ولي اگر حباب بيشتر از بخار پر شده باشد، اگر به اندازه كافي كاهش فشار محيط دردماي ثابت صورت بگيرد، يك انفجار تبخيري از سمت داخل حباب اتفاق مي‎افتد كه به اين پديده كاويتاسيون مي‎گويند. در حالي كه براي حباب پر شده از بخار، بالا رفتن دما باعث رشد پيوسته آن خواهد شد كه آن را جوشش مي‎نامند.

برای مشاهده دوره آموزش جریان های چندفازی روی لینک زیر کلیک کنید

آموزش جریان های چندفازی

رشد حبابها در اثر نفوذ گاز به نام ‎Degassing معروف است. اگر كه اين رشد به علت كاهش فشار ديناميكي باشد آن را كاويتاسيون گازي مي‎نامند. مي‎توان كاويتاسيون را بر حسب رشد حباب به چهار دسته كلي زير تقسيم كرد:

1.  كاويتاسيون گازي ‎(gaseous cavitation): حباب محتوي گاز كه به دليل افزايش دما يا كاهش فشار رشد يافته است.
2.  ‎كاويتاسيون تبخيري ‎(vaporous cavitation): حباب پر شده از بخار كه سبب رشد آن كاهش فشار است.
3.  گاز زدايي ‎(Degassing): حباب محتوي گاز كه سبب رشد آن نفوذ گازهاي غيرمحلول در مايع است.
4.  جوشش ‎(boiling): حباب محتوي بخار كه علت رشد آن بالا رفتن دما به قدري كافي است.

اثرها و اهميت كاويتاسيون

كاويتاسيون به دليل آثاري كه مي‎تواند داشته باشد توجه بسيار زيادي را در صنعت امروز به خود اختصاص داده است. آثاري را كه كاويتاسيون مي‎تواند به وجود بياورد عبارتند از:

1.  اثرهايي كه هيدروديناميك سيال را تغيير دهد.
2.  اثرهايي كه بر روي سطح مرزي سيال با ديواره جامد به وقوع مي‎پيوندد و مي‎تواند توليد خطر كند.
3.  آ‌ثار خارجي كه ممكن است به تغييرات مهم و جدي هيدروديناميكي جريان اضافه شود و به مرزهاي جامد ضرر رساند.

متأسفانه در ميدان هيدروديناميكي، تأثيرات كاويتاسيون به جز چند مورد استثنا، همگي مضر هستند. كنترل نكردن آن مي‎تواند خطرهاي جدي و حتي نتايج جبران‎ناپذيري را به همراه داشته باشد. از طرف ديگر لزوم اجتناب از كاويتاسيون و يا كنترل آن محدوديتهاي جدي را براي طراحي بسياري از انواع وسايل هيدروديناميكي تحميل مي‎كند. به همین علت شبیه سازی کاویتاسیون در انسیس فلوئنت از اهمیت بالایی برخوردار است.

کاویتاسیون در چه وسایلی اتفاق می افتد ؟

در ماشينهاي هيدروديناميكي مانند همه توربينها از سرعت مخصوص پايين فرانسيس تا سرعت مخصوص بالاي كاپلان، زمينه براي ايجاد كاويتاسيون آماده است. پمپهاي محوري ‎(Axial) و سانتريفيوژ ‎(Centrifugal) و حتي پمپهاي رفت و برگشتي قديمي نيز درگير اثرهاي كاويتاسيون هستند. اگرچه كاويتاسيون ممكن است با طراحي اشتباه تشديد يابد، اما حتي در وسايلي كه از بهترين طراحي نيز برخوردار هستند هنگامي كه در عمل شرايط نامطلوب اعمال گردد ممكن است اتفاق بيفتد.

كاويتاسيون همچنين امكان دارد در وسايلي كه انرژي مكانيكي به آنها وارد يا از آنها خارج مي‎شود هم اتفاق بيفتد. ولوها ‎(Valves) و همه وسايلي كه سرعت سيال عبوري در آن‎ها تغيير مي‎كند،‌ ممكن است تحت تأثير آثار كاويتاسيون قرار گيرند. در نتیجه پیش از طراحی این قبیل وسایل شبیه سازی کاویتاسیون در فلوئنت ضروری می باشد.

نحوه شکل گیری پدیده کاویتاسیون

آب به خودي خود با افزايش دما و كاهش فشار به بخار تبديل نمي‎شود. آبي كه به طور كامل تصفيه و فيلتر شده باشد مي‎تواند بارها فشارهاي منفي بسيار بزرگ را تحمل كند،‌ بدون آنكه به بخار تبديل شود. كاويتاسيون و جوشيدن هر دو در نقاطي كه داراي ناخالصي است و يا در كنار يك شكاف ریز در ديوارة جريان، اتفاق مي‎افتد.

مشاهده محققان نشان مي‎دهد كه قبل از ديده شدن كاويتاسيون، معمولاً در يك محدودة كوچك از جريان، انبوهي از جريانهاي ريز به چشم مي‎خورند كه از آنان به عنوان هسته كاويتاسيون ياد مي‎شود. اين حبابها در ايجاد كاويتاسيون نقش مهمي را ايفا مي‎كنند و تئوري كاويتاسيون براساس وجود اين حبابها شكل مي‎گيرد.

وقتي يك دسته از حبابهاي ريز كاويتاسيون از ناحيه كم فشار به ناحية پرفشار پائين دست كه در آن شرايط كاويتاسيون حاكم نيست رانده مي‎شوند كاهش قطري در حبابها بوجود مي‎آيد. هنگامي كه شعاع حباب به شعاع بحراني رسيد،‌ حباب ناگهان درهم مي‎شكند و آب اطراف آن براي پر كردن حفره حاصل به سمت آن هجوم مي‎آورد. در نقطه از بين رفتن اين حبابها، برخورد دسته‎هاي آبي كه با سرعت بسيار به سمت هم حركت مي‎كنند باعث يك انفجار كوچك شده و فشار درون آب را (در آن نقطه) به شدت بالا مي‎برد.

اگر فروپاشيدگي يك حباب در نزديكي سطح اتفاق بيافتد، انفجار نامتقارن بوده و توليد يك جت مي‎كند. اين جت با سرعت زياد به سطح برخورد مي‎كند. سرعت اين جت در حدود 400 كيلومتر در ساعت تخمين زده شده است. پس سطح ضربات زيادي را از اين جتهاي كوچك دريافت مي‎كند. بدين ترتيب در اطراف یم سطح کوچک ممكن است اختلاف فشار زيادي ايجاد شود كه اين اختلاف فشار باعث جداشدگي ذره مي‎گردد.

عدد کاویتاسیون چیست

ماهيت چندگانه كاويتاسيون موجب شده است كه يك عدد بي‎بعد براي آن تعريف كنيم. اين عدد شامل پارامترهاي هندسي (زاويه حمله و شكل پره) و خواص فيزيكي سيال (جرم حجمي و لزجت) و خواص هيدروليكي جريان است. عدد كاويتاسيون بيان‎كننده نسبت افت انرژي به انرژي كل است.

شدت كاويتاسيون

معرفي يك عدد براي نشان دادن شدت كاويتاسيون كار بسيار مشكلي مي‎باشد. استين برينگ مشاهده نمود كه با كاهش مقدار شاخص كاويتاسيون نسبت به شاخص كاويتاسيون اوليه، شدت خسارت به آرامي افزايش مي‎يابد. اگر شاخص كاويتاسيون متعاقباً بيشتر كاهش پيدا كند، به ناحيه‎اي مي‎رسد كه در آن روند آسيب با شاخص كاويتاسيون نسبت عكس پيدا خواهد نمود.

كاهش بيشتر در شاخص كاويتاسيون،‌ در نقطه‎اي عايد مي‎گردد كه ميزان آسيب داراي حداكثر مقدار مي‎باشد. با كاهش بيشتر شاخص كاويتاسيون ميزان آسيب نيز كاهش مي‎يابد. از اين موضوع مي‎توان دريافت كه شدت كاويتاسيون هنگامي كه شاخص كاويتاسيون كمتر از شاخص اوليه مي‎گردد،‌ ابتدا افزايش و سپس كاهش مي‎يابد. طيف صدا نيز داراي رفتار مشابهي مي‎باشد.

مشکلات پدیده کاویتاسیون

خب سوال اصلی این است که چرا باید به شبیه سازی کاویتاسون در فلوئنت و مخصوصا پمپ ها بپردازیم؟ در ادامه برخی از مشکلات این پدیده آورده شده است.

• افزایش ارتعاش پمپ­ ها در حین کارکرد و ایجاد صداهای آزار دهنده
• افت فشار در قسمت ورودی پمپ­ها به دلایل گرفتگی در لوله که منجر به تکشیل پدیده کاوتاسیون می­شود.
• بالا رفتن دمای پمپ که به دنبال آن موجب افزایش فشار تشکیل بخار شده
• تغییر مایع پمپ شونده و یا تغییر در شرایط کاری پمپ

نقش سطوح مختلف در كاويتاسيون

نامنظمي سطوح در سازه‎هاي هيدروليكي اساساً به دو بخش نامنظمي منفرد (موضعي) و نامنظمي با توزيع يكنواخت (گسترده) تقسيم مي‎شود. در هيدروليك كاربردي براي بررسي نقش اين سطوح در كاويتاسيون از دياگرامها و رابطه‎هايي كه توسط محققان مختلف براي اين سطوح ارائه شده استفاده مي‎شود.

به طور معمول اين دياگرامها و روابط، رابطه‎هاي بين مشخصات نامنظمي مثل شكل، طول، ارتفاع و مشخصات جريان از يك طرف و ضريب كاويتاسيون بحراني و شرايطي كه كاويتاسيون در آن ايجاد مي‎شود را از طرف ديگر بيان مي‎كنند.

شبیه سازی کاویتاسیون در انسیس فلوئنت

شبیه سازی کاویتاسیون در انسیس فلوئنت با استفاده از مدل های دوفازی انجام می­ گیرد. شما می­توانید با استفاده از دو مدل

•       Schnerr-sauer
•       Zwart-gerber

پدیده کاویتاسیون بررسی می­گردد.

در ورک شاپ پیش رو به طور کامل و جامع نحوه شبیه سازی کاویتاسیون در فلوئنت بررسی و نحوه همگرایی مسائل مختلف مورد بررسی قرار گرفته است.