انواع مدل های توربولانسی در فلوئنت – مدلسازی توربولانس در انسیس فلوئنت

یکی از سوالات رایج برای دانشجویان در حین فراگیری و آموزش فلوئنت ، انتخاب صحیح مدل های توربولانسی در فلوئنت ( مدل آشفتگی ) است. هریک از مدل های مختلف توربولانس (Turbulence models) فواید و محدودیت های خاص خود را دارند. برای داشتن یک شبیه سازی موفق در انسیس ورک بنچ ،  دانستن ویژگی های مدل های توربولانسی امری ضروری است. در این مقاله و چند مقاله آینده به ترتیب به بررسی مدل سازی توربولانس در انسیس فلوئنت می پردازیم تا بتوانید به راحتی مدل مناسب برای شبیه سازی خود را انتخاب کنید.

مدل های توربولانسی در فلوئنت - مدل های مختلف توربولانس

مدل های توربولانس در فلوئنت و نحوه مدل سازی توربولانس

به صورت کلی مدل های توربولانس در فلوئنت شامل موارد زیر است، که از زبانه ی Viscous Model می توانید آن ها را انتخاب کنید.

  • اسپالارت آلماراس   Spalart-Allmaras
  • کا-امگا  k-omega
  • کا-اپسیلن   k-epsilon
  • کا-کا ال-امگا گذرا  Transition k-kl-omega
  • اس اس تی گذرا یا انتقال تنش برشی گذرا  Transition SST
  • تنش های رینولدز  Reynolds Stress
  • شبیه سازی مقیاس تطبیقی  (Scale-Adaptive Simulation (SAS
  • شبیه سازی ادی جدا  (Detached Eddy Simulation (DES
  • شبیه سازی گردابه بزرگ  (Large Eddy Simulation (LES

برای مدل سازی توربولانس در انسیس فلوئنت باید از ویژگی ها و نقاط قوت و ضعف هریک از این مدل ها آگاهی داشته باشید. قدم اول برای کسب این اگاهی ، دانستن مفهوم توربولانس در سیالات است که در این مقاله به صورت مختصر به آن اشاره می کنیم. ابتدا به بررسی مفاهیم جریان آرام و توربولانس و عدد رینولدز می پردازیم سپس به صورت کلی ویژگی های مدل های توربولانسی در فلوئنت را بیان میکنیم.

جریان توربولانس (Turbulence) و جریان آرام (Laminar) در انسیس فلوئنت

همانطور که می دانید جریان سیال در سه دسته زیر طبقه بندی می­شود:

  1. آرام
  2. گذرا
  3. توربولانس

جریان توربولانسی در فلوئنت - توربولانس

جریان آرام، جریانی است که در آن سیال به صورت منظم و تحت لایه ها و مسیرهای مشخص حرکت می­کند. به همین علت برای توصیف این نوع جریان از عبارت Laminar، به معنی طبقه­ بندی شده استفاده می­ شود. اما معمولا در اغلب جریان­های مهندسی، با انباشته شدن اغتشاشات جریان به روی یکدیگر و پس از عبور از مرحله گذار (Transient) یا همان مرحله میانی به جریان توربولانس می­ رسیم.

جریان آشفته در انسیس فلوئنت

 

به عبارت دیگر در اغلب پدیده­ های مهندسی جریان سیال به صورت آشفته یا توربولانس می­ باشد و به ندرت با جریان­ هایی که به صورت کاملا آرام یا Laminar هستند مواجه هستیم. همچنین علاوه بر پدیده ­های مهندسی، جریان­های موجود در پیرامون ما نیز به صورت آشفته در نظر گرفته می­ شود. به عنوان مثال جریان آب در رودخانه ، اغلب به صورت آشفته در نظر گرفته می ­شود.

 جریان توربولانس نوعی از جریان سیال است که در آن سیال تحت Fluctuation با نوسانات جریانی یا فرآینده های اختلاطی شدید قرار می­گیرد.

حتما بخوانید #
استقلال از شبکه فلوئنت - استقلال حل از شبکه در ansys fluent - استقلال از مش در انسیس

 چگونه میتوان رژیم جریان را در انسیس فلوئنت شناسایی کرد؟

اگر با دینامیک سیالات محاساباتی (CFD) آشنایی داشته باشید یا دروس مرتبط با سیالات را در دانشگاه گذرانده باشید ، با مفهوم عدد رینولدز آشنا خواهید بود. همانطور که می دانید عدد رینولدز یک کمیت بی بعد است که به کمک آن میتوان رژیم حاکم بر جریان را شناسایی کرد . و با استفاده از آن میتوان در نرم افزار انسیس فلوئنت مشخص کرد که جریان در شبیه­ سازی به چه صورت خواهد بود و باید از چه مدل توربولانسی استفاده کرد یعنی اگر عدد رینولدز از یک محدوده مشخص بیشتر شود، برای شبیه سازی باید از مدل های مختلف توربولانس استفاده کرد.

عدد رینولدز برای جریان ارام و اشفته

اما دقت داشته باشید در نرم افزار انسیس فلوئنت کمیتی به اسم رینولدز وجود ندارد و کاربر نمیتواند با وارد کردن عدد رینولدز رژیم جریانی خود را مشخص کند بلکه می بایست از بخش نشان داده شده در شکل زیر رژیم جریان مناسب شبیه ­سازی خود را به صورت دستی انتخاب کند.

جریان آرام laminar در انسیس فلوئنت

انواع مدل های توربولانسی در فلوئنت – مدل سازی توربولانس

جریان توربولانس ذاتا یک پدیده تصادفی است. در نتیجه نمیتوان اثرات مدل سازی توربولانس را به صورت کامل در شبیه­ سازی های نرم افزار انسیس فلوئنت مشاهده کرد. به همین دلیل برای مشاهده اثرات توربولانس و آشفتگی در انسیس فلوئنت ، مدل­های مختلفی ارائه شده است تا کاربر با استفاده از آن بتواند مناسب­ ترین مدل برای شبیه­ سازی خود را انتخاب کند. در تصویر زیر مدل­ های توربولانسی در انسیس فلوئنت نشان داده شده است.

انواع مدل های توربولانس در انسیس فلوئنت :

الف : تک معادله ای

1- Spalart Allmaras

ب: دو معادله ای

2- K-epsilon Standard

3- K-Epsilon RNG

4- K-Epsilon Realizable

5- وای پلاس ، توابع دیواره ، ارتفاع مش لایه مرزی

6- K-Omega standard

7- K-Omega SST

8- K-Omega BSL

ج : سه معادله ای

9- K-KL Omega

د : چهار معادله ای

10- Transition SST

مدل های مختلف توربولانس در انسیس فلوئنت

به صورت کلی برای شبیه ­سازی توربولانس از سه روش استفاده می­ شود:

  • شبیه ­سازی عددی مستقیم DNS ( این روش در نرم افزار انسیس فلوئنت موجود نمی­باشد)
  • شبیه­ سازی با استفاده از مدل های RANS یا ناویر-استوکس میانگیری شده
  • شبیه­ سازی گردابه­ های بزرگ (LES)

اگرچه بیشترین دقت در شبیه سازی ها را استفاده از روش عددی مستقیم یا DNS دارد، اما به علت هزینه محاسباتی بسیار زیاد و عدم استفاده از این روش در کارهای صنعتی ، در نرم افزار انسیس فلوئنت نیز مدل­های DNS استفاده نمی­ شود و ما تنها از دو روش RANS و LES می­توانیم استفاده کنیم. در شبیه­ سازی توربولانس با مدل­های RANS، معادلات برای مقدار متوسط زمانی و نوسانات متلاطم جریان حل می­ شوند و میدان لحظه ­ایی به صورت جمع مولفه­ های متوسط و نوسانی تعریف می­ شود.

اما در روش LES که به نوعی حد وسط روش عددی و RANS است ، از معادلات متوسط گیری مکانی می شود و گرادبه های بزرگ به صورت مستقیم حل می شوند اما گردابه های کوچک مدل سازی می شوند. این روش نتایج بسیار دقیق تری نسبت به RANS ارائه می دهد اما چون هزینه محاسباتی این روش هم زیاد است، فقط برای شبیه سازی های خاص مثلا مدل سازی احتراق استفاده می شوند.

مقایسه مدل های rans - les - dns

تفاوت مدل RAns و LES در مدل سازی توربولانس

کاربردی ترین مدل آشفتگی در صنعت، استفاده از مدل های توربولانس RANS در نرم افزار انسیس فلوئنت می باشد که خود این مدل ها به انواع مدل­های تک معادله­ایی، دو معادله­ایی و …. تقسیم بندی می­ شود که هزینه محاسباتی و کاربردهای متفاوتی را دارند. در شکل های زیر انواع و هزینه محاسباتی مدل­ های توربولانسی در انسیس فلوئنت مشخص شده است.

 

تفاوت مدل های مختلف توربولانس در فلوئنت

دوره آموزش انسیس فلوئنت - اموزش فلوئنت ansys fluent

حتما بخوانید

دوره آموزش فلوئنت

23 ساعت

برای استفاده از این مدل­ های مختلف توربولانسی در نرم افزار انسیس فلوئنت کافی است به بخش مدل رفته با توجه به شکل زیر یکی از مدل­های نمایش داده شده را انتخاب کنید. در بعضی از مدل ها نیاز به بررسی تابع دیواره و وای پلاس نیز وجود دارد که در مقاله زیر توضیحات تکمیلی ارائه شده است.

انتخاب مدل توربولانس در فلوئنت

تعیین پارامترهای توربولانسی در انسیس فلوئنت

هنگامی که یک جریان وارد یک محدوده با مرزهای ورودی، خروجی یا میدان دوردست می شود، نیاز به تعیین مقادیر توربولانسی انتقالی دارد. دو روش جهت مشخص کردن مقادیر توربولانس وجود دارد:

  1. استفاده از پروفیل ( نیاز به تسط بر مفاهیم یو دی اف نویسی)
  2. استفاده از مقادیر ثابت

در روش اول می بایست اطلاعات دقیقی از لایه مرزی یا جریان توربولانس در ورودی داشته باشید. این اطلاعات معمولا از نتایج آزمایشگاهی استخراج می ­شود. اما در روش دوم می توان پارمترهای مذکور را به صورت اعداد ثابت با استفاده از فرمول های ارائه شده بدست آورد.

شدت توربولانس یا Turbulence Intensity

شدت توربولانس که به اختصار با نماد I نشان داده میشود عبارت است از نسبت جذر میانگین اغتشاشات سرعت به میانگین سرعت جریان.

شدت توربولانسی در انسیس فلوئنت

مفهوم شدت توربولانس آشفتگی

به شدت توربولانس با مقادیر نزدیک به 1 درصد شدت توربولانس پایین و به شدت توربولانس  بالاتر 10 درصد شدت توربولانس بالا می­ گویند. برای جریان کاملا توسعه یافته یک کانال میتوان از تخمین زیر برای محاسبه شدت توربولانس استفاده کرد.

رابطه نحوه محاسبه شدت توربولانس

مقیاس طولی توربولانس Turbulence Length Scale

به زبان ساده میتوان گفت که مقیاس طولی توربولانس Turbulence Length Scale وابسته به اندازه گردابه های بزرگ حاوی انرژی است. به طور مثال زمانی که شبیه سازی جریان داخل یک کانال انجام می گیرد،  این کمیت محدود به اندازه کانال خواهد بود چرا که گردابه نمیتواند از اندازه کانال بزرگتر باشد. برای بدست آوردن این کمیت فیزیکی در کانال ها می توان مقدار 0.07 طول کانال را در نظر گرفت و برای جریان توسعه یافته داخل یک لوله نیز میتوان قطر هیدرولیکی لوله را برای این کمیت استفاده کرد.

محاسبه مقیاس طولی توربولانس در انسیس فلوئنت

زمانی که در ورودی های مدل این پارامترها را به درستی تنطیم کنید رفتار همگرایی بسیار بهتر خواهد شد.

همانطور که بیان شد هریک ازین مدل های توربولانس هزینه محاسباتی متفاوت و کاربرد جداگانه ای دارند. با کلیک بر روی هریک از مدل ها می توانید به مقاله مخصوص ان مدل بروید. این مقالات به تدریج آپدیت و موارد جدید به آن ها اضافه می شوند.

انواع مدل های توربولانس در انسیس فلوئنت :

الف : تک معادله ای

1- Spalart Allmaras

ب: دو معادله ای

2- K-epsilon Standard

3- K-Epsilon RNG

4- K-Epsilon Realizable

5- وای پلاس ، توابع دیواره ، ارتفاع مش لایه مرزی

6- K-Omega standard

7- K-Omega SST

8- K-Omega BSL

ج : سه معادله ای

9- K-KL Omega

د : چهار معادله ای

10- Transition SST

مدل های مختلف توربولانس در انسیس فلوئنت

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *