تحلیل جریان سیال داخل لوله(زانویی)

برای انجام تحلیل­ها­ی سیالاتی در حالت دو و سه بعدی از دو المان142  وFLUID141  استفاده می­شود. 

مقدمه

این دو المان امکان اجرای سری تحلیل­هایزیر را فراهم می­کند:

-­­­ محاسبه­ی لیفت و درگ بر روی ایرفویل

- جریان در نازل­های مافوق صوت

- الگوها­ی جریان 3­­ بعدی پیچیده در لوله­ها­ی خمیده

به طورکلی در انجام یک تحلیل مراحل زیر باید اجرا شود:

- انتخاب هندسه

- انتخاب نوع المان

- شبکه­بندی

- اعمال شرایط مرزی

- مشاهده­ی نتایج

حال متناسب با نوع تحلیل، ریز قسمت­های دیگری به آن اضافه می­شود که در این مثال گفته شده است.

در یک تحلیل سیالاتی بایستی 7 مرحله کلی زیر طی شود:

-­­­­­­­­­­ شرایط فیزیکی مسأله شناسایی شود.

- رژیم سیال معلوم شود.

- مدل شبکه­بندی شده­ی اجزای محدود تهیه شود.

- شرایط مرزی اعمال شود.

- پارامترها­ی مربوط به تحلیل  FLOTRANتنظیم شود.

- مسأله حل شود.

- نتایج بررسی و قضاوت شود.

حال پس از این مقدمه، به تحلیل جریان در زانویی پرداخته می­شود.

زانویی

       تحلیل جریان سیالی در یک زانویی مطابق با شکل (2-2-1) انجام می­شود. در تحلیل اول با پایین بودن چگالی سیال، عدد رینولدز کم می­باشد و در نتیجه مسأله در حالت منظم تحلیل می­شود؛ سپس در تحلیل دوم با بالا بردن چگالی سیال عدد رینولدز نیز افزایش یافته و مسأله در حالت جریان مغشوش بررسی می­شود. سرعت سیال ورودی به زانویی در هر دو تحلیل ثابت بوده و برابر ( m/s ) 2 است؛ همچنین لزجت (µ) سیال در هر دو حالت برابر ( Pa . s ) 001/0 می­باشد.

 

 

 

اهداف تمرین عبارتند از:

آشنایی با روش انجام تحلیل جریان سیال در حالت آرام و مغشوش

آشنایی با بارگذاری در سیالات

حل:

تعیین محصول FLOTRAN از منوی Mechanical APDL Product Launcher 14.0

قبل از اجرای نرم­افزار نوع محصول آن را به FLOTRAN تغییر داده، به این صورت که به جای اجرای مستقیم نرم­­افزار آن را از طریق Mechanical APDL Product Launcher 14.0 اجرا کنید؛ سپس با فشار دادن منویlicense   محصول ANSYS  FLORAN  را با پایین کشیدن لغزندۀ آن انتخاب کنید.

کلید RUN  را فشار داده تا نرم­افزار اجرا شود.

انتخاب المان دو بعدی FLUID141

1) ANSYS Main Menu > Preprocessor > Element Type > Add / Edit / Delete

2) در جعبۀ محاورۀ Element Types کلید Add … را فشار دهید.

3) در جعبۀ محاورۀ Library of Element Type در پنجرۀ سمت چپ نوع FLOTRAN CFD را مطابق شکل را انتخاب کرده و در پنجرۀ مقابل آن المان 2D FLOTRAN 141 را انتخاب کنید.

 

 

4) کلید OK را فشار دهید.

5) کلید Close را در جعبۀ محاورۀ Element Types فشار دهید.

  مدل­سازی هندسی و شبکه بندی

 برای مدل­سازی مسئله ابتدا از مسیر زیر تعداد دو عدد مستطیل بسازید.

1) ANSYS Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Areas >Rectangle > By Dimensions

2) در پنجرۀ تولید مستطیل به ترتیب در مقابل کادر X1 , X2  اعداد  0 , 2را وارد کنید (در اصل ابعاد مستطیل تعریف می­شود) و در مقابل کادر Y1 , Y2 به ترتیب اعداد 0 , 3 را مطابق شکل (6-2-3)  وارد کنید و کلید  Apply را فشار دهید تا مستطیل اول ساخته شود.

 

 

3) برای تولید مستطیل دوم، در پنجرۀ تولید مستطیل این بار در مقابل کادر X1 , X2  به ترتیب اعداد 0 , 5  را وارد کنید و در مقابل کادرY1 , Y2  به ترتیب اعداد0 , -2  را وارد نمایید و سپس کلیدOK  را فشار دهید.

 

4)  شکل زیر ایجاد می­شود.

 

اکنون باید کلیه سطوح را یک­پارچه کنید.

5) ANSYS Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Add  > Areas

6) در پنجرۀ انتخاب کلیدPick All   را فشار دهید تا سطوح یک­پارچه شوند.

اکنون باید فقط سطح را پاک کرده تا به کمک خطوط مرزی، خطوط Fillent  تولید شوند.

7) ANSYS Main Menu > Preprocessor > Modeling > Delete > Areas Only                              

8) در پنجرۀ انتخاب کلید Pick All را فشار دهید.

 

9) ANSYS Utility Menu > Plot > Lines                                                                                       

10) ANSYS Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Lines > Line Fillet                 

11) مطابق شکل، در پنجرۀ گرافیکی دو خط عمود برهم پایین سمت چپ مدل را انتخاب کرده و کلیدOK   را فشار دهید.

 

12) در جعبۀ محاورۀ Line Fillet در مقابل کادرRAD  Fillet radius  عدد2  را وارد کنید و کلید Apply را فشار دهید.

13) مطابق شکل در صفحۀ بعد در پنجرۀ گرافیکی دو خط عمود برهم میانی و بالایی مدل را انتخاب کرده و در پنجرۀ انتخاب، کلید OK را فشار دهید.

 

14) در جعبۀ محاورۀ   Line Fillet در مقابل کادر RAD  Fillet radius  عدد  0.25را وارد کنید و کلیدOK  را فشار دهید.

اکنون باید به کمک خطوط مرزی موجود سطح نهایی را بسازید.

15) ANSYS Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Areas > Arbitrary > By lines

16) در پنجرۀ انتخاب معیار، انتخاب را از Single بهLoop  تغییر داده و سپس در پنجرۀ گرافیکی، نزدیک یکی از خطوط، با ماوس یک­بار فشار دهید تا همه­ی خطوط انتخاب شوند و سپس کلیدOK  را در پنجرۀ انتخاب فشار دهید، تا سطح نهایی تولید شود.

اکنون جهت شبکه­بندی مدل به روش دستی از طریق تقسیم سطح به 2 سطح 4 ضلعی عملیات زیر را انجام دهید.

 

در این روش سطح را به کمک 2 خط اضافی به 3 سطح 4 ضلعی تقسیم می­کنیم و 3 سطح را جداگانه شبکه­بندی دستی می کنیم.

 

حال برای تقسیم زانویی به 3 قسمت، عملیات زیر را انجام دهید.

17) ANSYS Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Divide > Line into2ln’s

خط عمودی سمت چپ زانویی را در پنجرۀ گرافیکی انتخاب کرده و کلید OK را فشار دهید.

حال در روی خط عمودی سمت چپ از پنجرۀ گرافیکی، به اندازۀ 0.25 در جهت محور Y نقطه­ای را انتخاب کرده و در پنجرۀ بازشده کلید OK را فشار دهید. اکنون این خط به دو قسمت تقسیم شده و از طریق عملیات زیر، یک خط در پنجرۀ گرافیکی، بین نقطۀ انتخاب شده و نقطۀ انتهایی خط عمودی سمت راست زانو رسم کنید.

18) ANSYS Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create >Lines > Straight Line              

همین روش را برای دو خط افقی زانویی تکرار کنید. در نتیجه، زانویی به سه چهار ضلعی که شامل دو مستطیل و یک چهار ضلعی با دو ضلع انحنادار است، تقسیم می­شود.

سپس از مسیر زیر، با خطوط ایجاد شده، سطح مورد نظر تولید نمایید.

19) ANSYS Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Areas> Arbitrary > By lines

در نهایت از طریق مسیر زیر، سه خط موجود در انحنای پائینی زانویی را به یک خط تبدیل کنید.

20) ANSYS Main Menu > Preprocessor > Modeling > Operate > Booleans > Add > lines

حال می­توان چهار ضلعی­ها را، به روش دستی شبکه­بندی کرد.

برای شبکه­بندی دستی مراحل زیر را انجام دهید.

21)ANSYS Main Menu > Preprocessor > Meshing > Mesh Tool                                                    

در جعبه ابزارMesh Tool  در قسمتLines  دکمۀ Set را یک­بار فشار دهید.

خطوط عمودی بالای مدل را در پنجرۀ گرافیکی انتخاب کنید و کلید Apply را در پنجرۀ انتخاب فشار دهید.

در جعبۀ محاورۀ Element Sizes on picked lines، در مقابل کادر NDVI  No. of element dinisions عدد 12 را وارد کنید و کلید OK را فشار دهید.

همین روش را برای دو خط عرضی بالایی مدل انجام داده، با این تفاوت که در مقابل کادر NDVI  No. of element dinisions عدد 8 را وارد کنید.

حال در جعبه محاوره Mesh Tool، نوع Mesher را از Free به Mapped تغییر داده، سپس گزینۀ Mesh را فشار داده و در پنجرۀ انتخاب Mesh Areas گزینۀ pick all را فشار دهید تا چهار ضلعی شبکه­بندی شود.

به همین صورت برای دو چهارضلعی دیگر ،عملیات شبکه­بندی دستی را انجام دهید.

 شکل نهایی مطابق شکل زیر به دست می­آید.

 

 اعمال شرایط مرزی و بارگذاری

       با توجه به اینکه سرعت ورودی سیال(m/s)  2 است و فشار در مجرای خروجی برابر صفر و سرعت سیال در تمام خطوط جداره صفر است، باید عملیات زیر را انجام دهید.

1)ANSYS Main Menu > Solution > Define Loads > Apply > Fluid / CFD >Velocity > On Lines

2) در پنجرۀ گرافیکی خط مربوط به مجرای ورودی (خط افقی بالایی مدل) را انتخاب کنید و کلید OK را فشار دهید.

3) مطابق شکل در جعبۀ محاورۀ Velocity constraints on Lines در مقابل کادرVY velocity component عدد 2- (چون در خلاف جهت محور Y است) و در مقابل کادر VX velocity component  عدد صفر را وارد کنید.

 

4) کلید  OKرا فشار دهید.

5) دوباره در پنجرۀ گرافیکی کلیۀ خطوط مدل را، به غیر از خط مجرای خروجی و خط مجرای ورودی، انتخاب کرده و در پنجرۀ انتخاب کلید OK را فشار دهید.

6) در جعبۀ محاورۀ Velocity Constraints on Lines در مقابل کادرهایVX velocity  component  و VY velocity component  عدد صفر را وارد کنید.

7) کلیدOK  را فشار دهید تا سرعت صفر بر روی خطوط دیوارۀ مدل اعمال و شرط عدم لغزش برقرار شود.

اکنون باید فشار در مجرای خروجی را برابر صفر قرار دهید.

8)ANSYS Main Menu > Solution > Define Loads > Apply > Fluid / CFD > Pressure DOF > On Lines

9) در پنجرۀ گرافیکی، خط مجرای خروجی (خط عمودی سمت راست مدل) را انتخاب کنید و کلید OK را در پنجرۀ انتخاب فشار دهید.

10) مطابق شکل زیر در جعبۀ محاورۀ Pressure Constraint on Lines در مقابل کادرPRES Pressure value عدد صفر را وارد کرده و سپس دقت کنید که گزینۀ  Apply to endpoints? فعال (Yes) باشد.

 

 

 

11) کلید OK را فشار دهید.

تعیین خواص سیال و حل مسأله

1) ANSYS Main Menu > Solution > FLOTRAN Set Up > Fluid Properties                              

2) در جعبۀ محاورۀ Fluid Properties کلید OK را فشار دهید.

3) مطابق شکل زیر در صفحۀ بعد، در جعبۀ محاورۀ CFD Flow Properties، در مقابل کادرDensity  property type CONSTANT ، عدد 1 را وارد نمایید و در مقابل کادرViscosity property type CONSTANT  عدد 0.001 را وارد کنید.

 

4) کلیدOK  را فشار دهید.

اکنون تعداد تکرارهای مسأله را جهت حل به تعداد 30 تکرار افزایش دهید.

5) ANSYS Main Menu > Solution > FLOTRAN Set Up > Execution Ctrl 

6) مطابق شکل در صفحۀ بعد، در جعبۀ محاورۀSteady State Control Setting  در مقابل کادر    EXEC Global   iteration  عدد 30 را وارد کنید.

 

7) کلیدOK  را فشار دهید.

اکنون بایدJobname  مسأله را به نام Laminar  تغییر دهید تا کلیۀ فایلهای تولیدی با این نام ایجاد شوند.

8) ANSYS Utility Menu > File > Change Jobname…                                                                

9) در پنجرۀ باز شده عبارت  Laminarرا تایپ کنید و کلید OK را فشار دهید.

10) پنجرۀ اخطار زردرنگ را ببندید؛ علت این اخطار تعویضJobname  مسأله است که می­گوید قبل از انجام این کار باید فایل قبلی بسته شود.

اکنون مسأله جهت تحلیل آماده است.

11) ANSYS Main Menu > Solution > Run FLOTRAN

12) پس از مدتی با مشاهدۀ پنجرۀ زردرنگ، با نمایش پیغامSolution is done  حل مسأله کامل شده است؛ این پنجره را بسته و جهت مشاهده نتایج به مرحله بعدی بروید.

مشاهدۀ نتایج

1)ANSYS Main Menu > General Postproc > Raed Results > Last Set                                       

2) ANSYS Main Menu > General Postproc > Plot Results > Contour Plot > Nodal Solu    

در جعبۀ محاورۀContour Nodal Solution Data  در مقابل کادر      Comp Item to be contoured  گزینۀDOF solution  و در زیر قسمت آن گزینۀ  Fluid Velocityرا انتخاب کنید.

کلیدOK  را فشار دهید تا مطابق شکل، سرعت سیال در پنجرۀ گرافیکی نمایان شود.

 

 

 

اکنون جهت نمایش برداری سرعت سیال، از مسیر زیر عمل کنید.

5) ANSYS Main Menu > General Postproc > Plot Results > Vector Plot > Predefined

 

6) در جعبۀ محاورۀ Vector Plot of Predefined Vectors کلید OK را فشار دهید تا سرعت سیال به صورت برداری، در پنجرۀ گرافیکی مطابق شکل زیر نمایان شود.

 

جهت مشاهده نحوۀ حرکت سیال در گره­های دل­خواه خود به صورتTrace ، مسیر زیر را دنبال کنید:

7) ANSYS Main Menu > General Postproc > Plot Results > Define Trace Pt                            

8) در در پنجرۀ گرافیکی گره­های مورد نظر را انتخاب کنید و در پنجره انتخاب، کلیدOK  را فشار دهید.

9) ANSYS Main Menu > General Postproc > Plot Results > Plot Flow Tra

10) در جعبۀ محاورۀ  Plot Flow Traceدر قسمت اولItem to be contoured along trace ، گزینۀ دلخواه نظیر سرعتX  یا ... را انتخاب نموده و کلیدOK  را فشار دهید.

اکنون در پنجرۀ گرافیکی حرکت سیال در گره­های انتخاب شده مشاهده می­شود.

 

نکته: برای مشاهدۀ گرداب در قسمت­ها­ی انحنادار مدل، می­تواند نقاط انتخابی شما از این نواحی باشد.

تحلیل جریان مغتشش

       در این مرحله بدون خروج از نرم­افزار، چگالی سیال ورودی را به 1000 افزایش داده و سپس مسأله را با عدد رینولدز بالا (جریان مغتشش) حل کنید.

1)ANSYS Main Menu > Solution > FLOTRAN Set Up > Fluid Properties                               

2) در جعبۀ محاورۀ Fluid Properties کلید  OKرا فشار دهید.

3) در جعبۀ محاورۀCFD Flow Properties  در مقابل کادر Density Property type CONSTANT  عدد 1000 را وارد کرده و کلیدOK  را فشار دهید.

اکنون باید نوع تحلیل را به حالت مغتشش تبدیل کنید.

4) ANSYS Main Menu > Solution > FLOTRAN Set Up > Solution Options                            

5) مطابق شکل زیر در جعبۀ محاورۀ  FLOTRAN Solution Options در مقابل کادرTURB Laminar or tur bulent?  ، از منوی آن گزینۀ Turbulent   را انتخاب کنید.

6) کلید  OKرا فشار دهید.

نکته: در صورت تحلیل مسأله بدون آنکه گزینۀ فوق را تنظیم کنید، با پیغام خطایی مبنی بر واگرا بودن مسأله مواجه خواهید شد.­ در این صورت کاربر متوجه مغتشش بودن فیزیک مسأله خواهد شد و نتیجه می­گیرید که تحلیل مسأله باید در حالت Turbulent   انجام شود.

اکنون باید  Jobname مسأله را به نام دیگری نظیر Turbulent تغییر دهید.

7) ANSYS Utility Menu > File > Change Jobname…

8) در پنجرۀ باز شده عبارت Turbulent  را تایپ کنید.

9) کلیدOK  را فشار دهید و پنجرۀ زرد رنگ اخطار را ببندید.

اکنون مسأله جهت تحلیل آماده است:

10)ANSYS Main Menu > Solution > Run FLOTRAN   

11) پس از مدتی با مشاهدۀ پنجرۀ زردرنگ با پیغامSolution is done ، حل مسأله کامل شده است. این پنجره را بسته و جهت مشاهدۀ نتایج به مرحلۀ بعدی بروید.

 

  مشاهدۀ نتایج

در این مرحله نیز همانند حالتLaminar ، به مشاهدۀ نتایج بپردازید.

کانتور برداری سرعت سیال مطابق شکل زیر خواهد بود.

 

نکته: کاربر باید سعی کند مسأله را در حالت مغتشش، با تغییر لزجت سیال و سرعت ورودی سیال نیز تحلیل کند، تا متوجه تأثیر هر یک از عوامل فوق، در عدد رینولدز و در نتیجه حالت مغتشش جریان شود.

برای مشاهدۀ تابع جریان دو بعدی از مسیر زیر اقدام کنید.

1) ANSYS Main Menu > General Postproc > Plot Results > Contour Plot > Nodal Solu

 

2) در جعبۀ محاورۀContour Nodal Solution Data   در مقابل کادر  Item to be contouredدر پنجرۀ سمت چپ گزینۀ  Other quantites و در پنجرۀ مقابل آن گزینۀStrm func2D STRM  را انتخاب کنید.

3) کلیدOK  را فشار دهید تا مطابق شکل، تابع جریان در پنجرۀ گرافیکی نمایان شود.

بحث و بررسی

       مطابق شکل زیر همین زانویی به صورت اتوماتیک شبکه­بندی شده و نتایج حاصل از آن در شکل  های بعدی آمده است. 

توجه: برای شبکه­بندی اتوماتیک، پس از رسم هندسۀ شکل در جعبه ابزار Mesh Tool، در قسمت  Meshنوع Mesher را به Free و شکل المان Shape را به Quad تبدیل کنید. سپس کلید Mesh را در جعبۀ ابزارMesh Tool فشار دهید.

در نهایت، در پنجرۀ انتخاب کلید Pick All را فشار دهید، تا همۀ سطوح مطابق انتخاب و شبکه­بندی شوند.

حال بقیۀ مراحل، مشابه شبکه­بندی دستی انجام می­شود.

همانطور که مشاهده می­شود دقت نتایج حاصل از شبکه­بندی دستی به ­مراتب بیشتر از شبکه­بندی اتوماتیک است.

 

 

حل تحلیلی

       حال برای مقایسه و صحت داده­های نرم­افزاز با روش تحلیلی، اگر بین نقاط A و B از فرمول برنولی استفاده کنیم، مشاهده می­شود که اگر در جهت انحنای بیشتر زانویی (از A به B) حرکت کنیم، طبق فرمول (2-1) فشار افزایش پیدا می­کند که علت آن گردش سیال در زانویی و ایجاد نیروی گریز از مرکز است. این نیرو سبب می­شود فشار در نقطۀ  B بیشتر از فشار در نقطۀ A باشد، چون شعاع انحنای آن بیشتر است که این خود درستی داده­ها را با توجهبه شکل تأیید می­کند.

همچنین به علت وجود لایه مرزی، سرعت در نزدیک دیواره­ها کمتر است. بنابراین در اطراف محور زانویی، یعنی نقطۀ میان A و B دارای سرعت ماکزیمم است که از شکل به وضوح قابل مشاهده می­باشد.

ضمناً فشار از A به سمت راست زانویی افزایش می­یابد؛ ارتفاع لایۀ مرزی افزایش یافته و امکان ایجاد جدایش در این ناحیه وجود دارد که باز هم داده­های نرم­افزار آن را تأیید می­کند.                    

 

 

 

لطفاً برای دریافت فایل های اصلی و ترجمه این مطلب در فرمت های Word و Pdf بر تب زیر کلیک نمائید.