شبیهسازی و تحلیل جریان سیال بین استوانههای چرخان در ANSYS Fluent
پس از ترسیم هندسه و تولید مش مناسب، مرحله اصلی در مدلسازی جریان سیال بین استوانههای چرخان در ANSYS Fluent آغاز میشود؛ یعنی شبیهسازی عددی و تحلیل نتایج. در این مرحله، تعریف صحیح مدل فیزیکی، شرایط مرزی، تنظیمات حلگر و تفسیر خروجیها نقش کلیدی در دستیابی به نتایج قابل اعتماد و منطبق با تئوری جریان Taylor–Couette ایفا میکند.
آمادهسازی مدل در محیط Fluent
با ورود شبکه تولیدشده به محیط Fluent، ابتدا باید صحت مش بررسی شود. اطمینان از نبود سلولهای معیوب و بررسی کیفیت مش، پیشنیاز شروع شبیهسازی است. انتخاب حلگر نیز اهمیت بالایی دارد؛ معمولاً حلگر Pressure-Based برای جریانهای تراکمناپذیر مورد استفاده قرار میگیرد.
در این مرحله، خواص سیال مانند چگالی و ویسکوزیته دینامیکی تعریف میشوند. در بیشتر مطالعات جریان بین استوانههای چرخان، فرض سیال نیوتنی و تراکمناپذیر معتبر است.
انتخاب مدل جریان و رژیم حل
یکی از تصمیمهای مهم در شبیهسازی، انتخاب نوع مدل جریان است. در سرعتهای چرخش پایین، میتوان جریان را بهصورت آرام در نظر گرفت و مدل آشفتگی را غیرفعال کرد. اما با افزایش سرعت زاویهای و عبور از مقدار بحرانی عدد تیلور، جریان ناپایدار شده و نیاز به استفاده از مدلهای آشفتگی به وجود میآید.
برای کاربردهای صنعتی، مدلهای RANS مانند k–ε یا k–ω SST رایج هستند، در حالی که برای بررسی دقیق ساختار گردابههای تیلور، روشهای پیشرفتهتری مانند LES مناسبتر خواهند بود.
تعریف شرایط مرزی چرخشی
در شبیهسازی جریان بین استوانههای چرخان، شرایط مرزی نقش اساسی دارند. دیواره استوانه داخلی و خارجی بهعنوان Rotational Wall تعریف میشوند و سرعت زاویهای به آنها اعمال میگردد. جهت دوران، مقدار سرعت چرخش و اینکه کدام استوانه ساکن یا متحرک باشد، مستقیماً بر الگوی جریان اثر میگذارد.
در صورت مدلسازی سهبعدی، شرایط مرزی در راستای محوری نیز باید بهدقت تعریف شوند تا امکان توسعه گردابهها فراهم شود.
چارچوب مرجع و مدلهای چرخشی
برای مسائل دوار، Fluent امکان استفاده از چارچوب مرجع چرخان (Rotating Reference Frame) را فراهم میکند. این روش باعث سادهتر شدن معادلات در جریانهای با چرخش یکنواخت میشود و به بهبود پایداری حل کمک میکند. انتخاب بین چارچوب مرجع ساکن یا چرخان باید با توجه به هدف شبیهسازی و نوع تحلیل انجام شود.
تنظیمات حل و همگرایی
تنظیم الگوریتم جفتسازی فشار–سرعت مانند SIMPLE یا SIMPLEC، انتخاب طرح گسستهسازی مناسب و تعیین معیارهای همگرایی از مراحل حساس شبیهسازی هستند. کاهش تدریجی باقیماندهها و پایداری میدان جریان نشاندهنده همگرایی مناسب حل است.
در بسیاری از موارد، برای مشاهده شکلگیری گردابههای تیلور، استفاده از حل ناپایا (Transient) ضروری است، زیرا این ساختارها بهصورت وابسته به زمان ظاهر میشوند.
تحلیل میدان جریان و نتایج عددی
پس از همگرایی حل، تحلیل نتایج آغاز میشود. بررسی کانتورهای سرعت، فشار و خطوط جریان، اطلاعات ارزشمندی درباره رفتار سیال در ناحیه بین استوانهها ارائه میدهد. در صورت تشکیل گردابههای تیلور، این ساختارها بهصورت الگوهای تکرارشونده در راستای محوری قابل مشاهده خواهند بود.
همچنین محاسبه کمیتهایی مانند تنش برشی روی دیوارهها و گشتاور وارد بر استوانهها، مبنای مهمی برای تحلیلهای مهندسی و طراحی صنعتی محسوب میشود.
اعتبارسنجی نتایج شبیهسازی
برای اطمینان از صحت نتایج، مقایسه خروجیهای عددی با پیشبینیهای تئوریک یا دادههای تجربی اهمیت زیادی دارد. بررسی تطابق پروفیل سرعت، رفتار جریان پایه و مقدار بحرانی آغاز ناپایداری با تئوری Taylor–Couette، یکی از رایجترین روشهای اعتبارسنجی در این نوع شبیهسازیهاست.
جمعبندی
شبیهسازی و تحلیل جریان سیال بین استوانههای چرخان در ANSYS Fluent قلب فرآیند مدلسازی این مسأله به شمار میآید. انتخاب دقیق مدل جریان، تعریف صحیح شرایط مرزی چرخشی، تنظیم مناسب حلگر و تحلیل آگاهانه نتایج، همگی عواملی هستند که کیفیت شبیهسازی نهایی را تعیین میکنند. با رعایت این اصول، نرمافزار Fluent ابزاری قدرتمند برای بررسی پدیدههای پیچیده جریان در سیستمهای دوار خواهد بود.
کلیدواژه ها : مدلسازی-جریان-سیال-استوانههای-چرخان-ANSYS-Fluent-Taylor-Couette-Flow-شبیهسازی-عددی-CFD-شرایط-مرزی-چرخشی-Rotational-Wall-مدل-آشفتگی-k-epsilon-k-omega-LES-چارچوب-مرجع-چرخان-RRF-حل-ناپایا-Transient-گردابه-تیلور-Taylor-Vortices-تحلیل-نتایج
