مدلسازی جریان سیال بین استوانه‌های چرخان در ANSYS Fluent

جریان سیال بین استوانه‌های هم‌محور چرخان، که در ادبیات علمی با عنوان Taylor–Couette Flow شناخته می‌شود، یکی از مسائل کلاسیک و در عین حال بسیار مهم در مکانیک سیالات محاسباتی (CFD) است. این نوع جریان در صنایع مختلفی مانند توربوماشین‌ها، یاتاقان‌های هیدرودینامیکی، همزن‌های صنعتی، سیستم‌های آب‌بندی و حتی تحقیقات بنیادی ناپایداری جریان کاربرد گسترده دارد. در این محتوا، بدون ورود به جزئیات کدنویسی، مفهوم فیزیکی، منطق مدلسازی و مراحل تحلیلی شبیه‌سازی این جریان در نرم‌افزار ANSYS Fluent به‌صورت کاملاً مفهومی و سئوپسند توضیح داده می‌شود.

مفهوم فیزیکی جریان بین استوانه‌های چرخان

در ساده‌ترین حالت، جریان بین دو استوانه هم‌محور زمانی ایجاد می‌شود که حداقل یکی از استوانه‌ها حول محور مشترک خود دوران داشته باشد. حرکت چرخشی دیواره باعث القای تنش برشی به سیال شده و جریان مماسی شکل می‌گیرد. اگر سرعت زاویه‌ای کوچک باشد، جریان پایدار و لایه‌ای باقی می‌ماند، اما با افزایش سرعت چرخش، ناپایداری‌هایی در میدان جریان ظاهر می‌شود.

در شرایط خاص، این ناپایداری‌ها منجر به تشکیل گردابه‌های منظم حلقه‌ای می‌شوند که به آن‌ها گردابه‌های تیلور (Taylor Vortices) گفته می‌شود. تحول این پدیده به‌خوبی نشان می‌دهد که چگونه یک مسئله ساده هندسی می‌تواند رفتار بسیار پیچیده‌ای از خود نشان دهد.

اهمیت عدد بدون بعد در تحلیل جریان

تحلیل جریان بین استوانه‌های چرخان بدون در نظر گرفتن پارامترهای بدون بعد کامل نیست. یکی از مهم‌ترین این پارامترها عدد تیلور (Taylor Number) است که نقش کلیدی در تعیین رژیم جریان دارد. این عدد نسبت نیروهای گریز از مرکز به نیروهای لزجتی را نشان می‌دهد و معیاری برای پیش‌بینی شروع ناپایداری جریان به‌حساب می‌آید.

در مدلسازی عددی، توجه به رژیم جریان (آرام، گذار یا آشفته) بسیار حیاتی است، زیرا انتخاب مدل حل در Fluent کاملاً به این موضوع وابسته خواهد بود.

تعریف مسأله در ANSYS Fluent

در ANSYS Fluent، مدلسازی جریان بین استوانه‌های چرخان بر پایه تعریف صحیح دامنه محاسباتی و شرایط مرزی انجام می‌شود. دامنه حل شامل فضای حلقوی (Annular Region) بین دو استوانه داخلی و خارجی است. هر یک از استوانه‌ها می‌توانند ساکن یا دارای سرعت زاویه‌ای مشخص باشند.

رویکرد Fluent در چنین مسائل چرخشی معمولاً بر اساس دو چارچوب اصلی است:

• چارچوب مرجع ساکن (Inertial Frame)
• چارچوب مرجع چرخان (Rotating Reference Frame)

انتخاب بین این دو چارچوب تأثیر مستقیم بر تفسیر نتایج و پایداری حل عددی دارد.

نقش شرایط مرزی چرخشی

در این مسأله، دیواره‌های داخلی و خارجی به‌عنوان مرزهای متحرک تعریف می‌شوند. چرخش دیواره‌ها باعث اعمال سرعت زاویه‌ای به سیال و انتقال مومنتوم می‌شود. در Fluent، این شرایط مرزی از طریق تعریف Rotational Wall Motion قابل اعمال هستند.

چنانچه فقط یکی از استوانه‌ها در حال دوران باشد، میدان جریان نسبتاً قابل‌کنترل است، اما در حالتی که هر دو استوانه با سرعت‌های زاویه‌ای متفاوت بچرخند، برهم‌کنش پیچیده‌تری در میدان سرعت و فشار ایجاد خواهد شد.

انتخاب رژیم جریان و مدل آشفتگی

در سرعت‌های پایین، فرض جریان آرام کاملاً معتبر است و نیازی به مدل آشفتگی وجود ندارد. اما با افزایش سرعت دوران و بالا رفتن عدد تیلور، جریان وارد ناحیه گذار یا آشفته می‌شود. در چنین شرایطی، انتخاب مدل آشفتگی مناسب اهمیت بالا دارد.

مدل‌های RANS مانند k-ε یا k-ω SST معمولاً برای کاربردهای صنعتی استفاده می‌شوند، در حالی که برای تحلیل دقیق ساختار گردابه‌های تیلور، روش‌هایی مانند LES یا حتی DNS (در تحقیقات آکادمیک) مطلوب‌تر هستند.

تحلیل نتایج و تفسیر فیزیکی

پس از همگرا شدن حل عددی، خروجی‌های Fluent شامل توزیع میدان سرعت، فشار، تنش برشی و خطوط جریان خواهد بود. یکی از جذاب‌ترین بخش‌های این تحلیل، مشاهده تشکیل گردابه‌های حلقوی و بررسی الگوی آن‌ها در راستای محوری است.

تحلیل کیفی این ساختارها کمک می‌کند تا رفتار واقعی سیستم‌های دوار بهتر درک شود، در حالی که تحلیل کمی (مانند گشتاور وارد بر استوانه یا نرخ انتقال مومنتوم) کاربرد مهندسی مستقیم دارد.

کاربردهای صنعتی و پژوهشی

مدلسازی جریان بین استوانه‌های چرخان تنها یک تمرین عددی نیست. این تحلیل در طراحی یاتاقان‌ها، سیستم‌های روانکاری، تجهیزات فرآیندی و حتی در شبیه‌سازی شرایط آزمایشگاهی برای بررسی ناپایداری جریان نقش کلیدی دارد. Fluent به‌عنوان یک ابزار CFD قدرتمند، امکان بررسی سناریوهای مختلف هندسی و دینامیکی را با دقت بالا فراهم می‌کند.

جمع‌بندی

جریان سیال بین استوانه‌های چرخان نمونه‌ای کلاسیک از تعامل پیچیده بین هندسه، حرکت دورانی و رفتار غیرخطی سیال است. مدلسازی این مسأله در ANSYS Fluent نیازمند درک صحیح فیزیک جریان، انتخاب مناسب چارچوب مرجع، تعریف درست شرایط مرزی و تحلیل دقیق نتایج است. پرداختن مفهومی به این مراحل، پایه‌ای محکم برای انجام شبیه‌سازی‌های دقیق و قابل اعتماد فراهم می‌کند.

کلیدواژه ها : مدلسازی-جریان-سیال-استوانه‌های-چرخان-ANSYS-Fluent-Taylor-Couette-Flow-گردابه-تیلور-Taylor-Vortices-مکانیک-سیالات-محاسباتی-CFD-چارچوب-مرجع-چرخان-Rotating-Reference-Frame-عدد-تیلور-Taylor-Number-شرایط-مرزی-چرخشی-مدل-آشفتگی-Turbulence-Model-تحلیل-جریان-حلقوی-Annular-Flow