را کاهش میدهند در حالیکه آیتم سوم سعی در افزایش بازده نیروی رانش دارد و اتلاف انرژی در این بخش را کاهش میدهد. یکی از روشهای کم هزینه و منعطف برای بررسی این وسایل، شبیه سازی این وسایل و محیط پیرامون آنها در شرایط کاری است. با توجه به اینکه شبیه سازیهای کامپیوتری ارتباط مستقیمی با پیشرفت در زمینههای در زمینهی کامپیوتر دارد پس با پیشرفت زمان سرعت این شبیه سازیها در زمان کمتری انجام میشوند. با توجه به پیشرفتهای اخیر در زمینه کامپیوتر و شبیه سازیهای کامپیوتری، محققان بیشتر به سمت استفاده از نرم افزارهای موجود در این زمینه حرکت میکنند. شبیه سازی جریان اطراف اجسام متقارن با حل مستقیم لایه مرزی در دهه ۱۹۶۰ میلادی شروع شد.
سپس پیش بینی جریان برگشتی و دانستن رفتار جریان در منطقه ویک، محققان را برای بدست آوردن روشهای جدید حل تحریک کرد. در طول دهه هشتاد میلادی، محققان برای پیش بینی جریان برگشتی از پشت کشتی از حل کنندههای RANS7 استفاده میکردند و این مسئله باعث پیشرفت این روشها در این دهه شده است. پیش بینی جریان در پشت کشتیها در دهه نود میلادی کاملتر شده است. اخیرا گرایش محققان برای حل توسط حلگر RANS بر اساس مدلهای توربولانسی به نام مدلهای low-Reتوسط چند محقق ارائه شد.
در حالیکه مقادیر بدست آمده از این شبیه سازیها، اطلاعات ارزشمندی را ایجاد میکنند، اغلب بررسیهای آزمایشگاهی بر روی اجسام متقارن زیر آبی که در تونل هوا انجام گرفته است، عبارتند از: Gerfler 1950، Granville 1953، Nakoyama and Patel 1974، Patelan and Lee 1977، Huang and etal 1978، Roddy 1990، Anil Dashetal 1996، il Dashetal Hacket 2000. دالتون ۱۹۷۰، برای هشت جسم متقارن مختلف مقایسهای را برای حجم، سطح و سطح جلویی این اجسام ارائه داده است. بعضی از نویسندگان از قبیل پاتل ۱۹۸۶، بررسیهای مختلفی و جالبی را از طریق به کار بردن دینامیک سیالات محاسباتی بر روی نیروهای هیدرودینامیکی وارده بر وسایل متحرک زیر آبی انجام داده است. در ضمن چند محقق به نامهای
Chen 1986, Choi and Ching 1991, Suang etal 1993,1995, Sarkaretal 1997
Ananthakrishnan 2002, Mulvanyetal 2004, Jagadeesh 2006, murali 2009بررسیهایی را بر روی قوانین مختلف، مرتبط با کاربردهای CFDدر نیروهای هیدرودینامیکی وارد بر اجسام متقارن زیر آبی انجام دادند. پاتل در سال ۱۹۸۶ یک نگاه گستردهای را بر روی کارهای انجام شده در این زمینه و شبیه سازی جریانها انجام داده است. چوی در سال ۱۹۹۰ یک روش جدیدی را برای حل معادلات RANSارائه کرده است و همچنین مدل توربولانسی k-εرا هم ارائه داد. سارکر در سال ۱۹۹۷ از مدل low-Re k-ε برای شبیه سازی جریان برای اولین بار استفاده کرد و لام برای اولین بار شبیه سازی جریان گذرنده از روی اجسام متقارن زیر آبی رادر داخل بسته نرم افزاریCFD با انتخاب مدل توربولانسی، تولید شبکه بر اساس شرایط مرزی انجام داد. تمامی مطالعات گفته شده در بالا و تا حالا انجام گرفته برای شبیه سازیهای محیط جریان از معادلات ۲ بعدی برای شبیه سازی ۳ بعدی جریان توربولانسی استفاده کردهاند که حذف ترم کشیدگی گردابه را در معادلات توربولانس به همراه دارد. برای بهینه سازی اجسام متقارن در جریان سیال کارهای زیادی انجام گرفته است که یکی از اولین کارها در سال ۱۹۷۶ توسط نیروی هوایی امریکای شمالی انجام شده است، با این هدف که با تغییر فقط در شکل جسم، نیروی درگ کاهش پیدا کند. آنها به شکلی همانند ایرفویل رسیدند و دلفین نامیدند که در رینولدز 〖۱۰〗^۷، تقریبا نصف درگ اژدرهای متعارف در همین عدد رینولدز را داشت. برای بهینه سازی در طراحی اجسام متقارن برای رسیدن به کمترین نیروی درگ کارهای بسیاری انجام شده از قبیل؛ Sony Bao 1994 ، Jeromes Parsons and etl 1974 ، Sergey Peigini 2003 ، Alyanak Edward 2005 ، Chai Jh and etl 2005 ، Kazuosuzuki 2005 ، Hossein Alipour and etl 2011. جهت محاسبات انجام شده در این بررسی، برای کاهش درگ بر روی مدل بوده و پارامترهایی همچون نیروی رانش و مانور پذیری را در نظر نگرفته است. مدل بدست آمده در این روش و در این حالت برای تمامی طراحیهای مهندسی در این زمینه مفید است. پس میتوان برای بهینه سازی وسایل متحرک زیر آبی به عنوان منبع خوبی برای مقایسه با بقیه روشهای بهینه سازی و همینطور در جریانهای دیگری هم مقایسه کرد. بررسی انجام شده در این پایان نامهآنالیز جریان اطراف یک جسم غوطه ور در درون آب را توضیح میدهد. مدل مورد استفاده در این تحقیق STANDARD DREAR نام دارد، که نمونهای از یک بدنه زیر دریایی است که در شکل (۴) نشان داده شده است.
در جریانی بدون کاویتاسیون و با زاویهی حملهی صفر انجام گرفته است. بعلت رایج بودن سرعت ۲۰ m⁄s و ۲۵ m⁄s برای وسایل زیر آبی، از قبیل اژدر، بررسی را در این
شکل ۴. بدنهی مدل زیر دریایی به نام STANDARD DREAR
سرعتها انجام دادیم و سعی کردیم حالت بهینه را در این سرعت و عدد رینولدز متناظرش بدست آوردیم. در این بررسی از شبیه سازی سه بعدی بر اساس روش حجم محدود و در حالت سه بعدی از معادلات توربولانسی جریان استفاده شده تا ترم کشیدگی گردابه را در نظر بگیریم تا جوابها منطقی تر و واقعی تر بدست آیند.
فصل دوم
مدل های توربولانسی
مقدمه
در این فصل به بررسی روشهای محتلف مدل کردن توربولانس در نرم افزارهایی بر پایه CFD پرداخته و سعی در معرفی مدل انتخابی و دلایل انتخاب این روش و برتری این روش در دقت محاسبات نسبت به بقیه روشها داشته باشیم. نرم افزار CFD مورد استفاده در این تحلیل نرم افزار فلوئنت است، که بر اساس حجم محدود و معادلات متوسط ناویر استوکس (RANS) محاسبه میکند. CFD در شرایط مختلف بسیاری توانایی محاسبه در ارتباط با مدلهای مختلف سیال و انتقال حرارت دارد.
با ظهور کامپیوترهای قوی و کدهای محاسباتی بسیار فراگیر، CFD توانست ابزاری پیشرو در زمینهی تحقیقات شود. آنالیز CFD میتواند بسیار با صرفه باشد در مقابله با مدلهای آزمایشگاهی، به این خاطر که تغییرات میتواند بسیار سریع و به آسانی انجام پذیرند و به همان سرعت توصیف شوند. شبیه سازی میتوانند با سرعت بیشتر و آسانتر نسبت به مدلهای آزمایشگاهی بر پا شوند. بنابراین محاسبات از طریق کامپیوترکه با انجام یک سری محاسبات بدست میآیند، باید از طریق اطلاعات آزمایشگاهی تصدیق شوند.
حال به این نتیجه میرسیم که هیچ شخص و آزمایشگاهی حاضر نیست که یک هزینه اضافی برای انجام پروژه در قبال تغییری کوچک در آزمایش را تقبل کند. در این نقطه استفاده از شبیه سازیها بسیار مقرون به صرفه است و همچنین هر شبیه سازی نیاز به تصدیق با نتایج آزمایشگاهی ندارد. فقط یه تعدادی از موارد پایه با هدف تایید شبیه سازیها با نتایج آزمایشگاهی تصدیق میشوند و سپس بقیه فرضها کاملا ایمن و قابل اعتماد هستند. اغلب اوقات این اطلاعات پایه و اساسی همانند این تحقیق وجود داشته است. CFD همچنین توانایی دارد اطلاعات بیشتری را در قبال نتایج آزمایشگاهی به محققین ارائه دهد. همچنین CFD همانند اطلاعات آزمایشگاهی اطلاعات سراسری و کلی را که در کل قسمت محاسبه است ارائه نمیدهد بلکه تک تک نقاط محیط محاسبه را نیز در بر میگیرد، پس با تصدیق مقادیر پایه با اطلاعات آزمایشگاهی تغییرات کوچکی را در نقاط مهم محیط محاسبه میتوان انجام داد.
دو هدف از انجام این تحقیق مد نظر بوده است، ابتدا رسیدن به مقادیر آزمایشگاهی و تصدیق روش حل و سپس رسیدن به بهترین حالت انحنای نوک جسم برای رسیدن به کمترین درگ ممکن است. برای رسیدن به هدف اول، دراولین گام، شروع به خلق هندسه، مش زنی و انتخاب روش حل مناسب شده است. همچنین در این تحقیق بر روی انتخاب روش حل نیز در مقایسه با بقیهی روشهای حل تحقیقی نیز انجام گرفته است.
هچنین لازم بذکر است که همهی اطلاعات بدست آمده در قبال این مورد خاص و در رابطه با این روش مشزنی به نتیجه رسیده است. به عبارت دیگر اگر نوع مشزنی را از حالت مثلثی (که در این تحقیق مورد استفاده قرار گرفته است) به حالت مربعی تبدیل کنیم، نوع روش حل امکان دارد دچار تغییراتی شود. نتایج بدست آمده از این تحقیق در مرحلهی اول برای تصدیق با نتایج آزمایشگاهی انجام شده بوسیلهی DRDC بر روی همین هندسه در سال ۲۰۰۴ تصدیق شده است[۱].
امیدوارم این تحقیق به تمامی نتایج آزمایشگاهی انجام گرفته در وقت و هزینه غلبه کرده و با استفاده از این نتایج بینهایت هدف را توسعه و نیروها و ضرایب بسیاری در تحقیقات آتی در توسعهی بدنه زیردریاییها و همچنین آلات کنترلی در این وسایل یاری دهد. این روش میتواند مدلهای توربولانسی پیشرفته و همچنین توانایی انجام محیطهای محاسباتی بزرگ نظیر یک مدل واقعی در شرایط واقعی را نیز انجام دهد.این اهداف فراتر از این تحقیق بوده اما اطلاعات بدست آمده از این تحقیق برای انجام موارد گفته شده کاملا لازم به نظر میآید.
تاریخچه
آنالیز و پیش بینی رفتار جریان متلاطم که از مسائل اساسی در دینامیک سیالات می باشد به وسیله تئوری CFD بررسی میگردد. مشکل اساسی این روش ناشی از خصوصیات طبیعی پدیده های متلاطم مانند آشفتگی و اتفاقی بودن این نوع پدیده ها است. جریان متلاطم جریانی سه بعدی و وابسته به زمان میباشد که احتیاج به اطلاعات زیادی برای توضیح خصوصیات مکانیکی جریان دارد.با توجه به تحقیقات گذشته، توسط افرادی مانند پرانتل ،تیلور ون کارمن کوششهایی برای به دست آوردن مدل هایی که پیچیدگی کمتری داشته باشد، انجام میگیرد.پیچیدگی های مدل ریاضی با مقدار اطلاعات مورد نیاز در مورد جریان و انعکاس پیچیدگی های تبدیل روش های حل از مدل ریاضی با طول اختلاط ساده به روش های حل کامل که از معادلات ناویر –استوکس به دست می آید، افزایش می یابد.ماهیت وابسته به زمان جریان متلاطم که به دامنه وسیعی از مقیاس های زمانی(فرکانس) وابسته است به این نتیجه میرسد که از تکنیک های متوسط گیری برای تقریب نوسانات، که یک پدیده اتفاقی می باشد استفاده کنیم. منشاء معادلات میانگین زمانی ناویر- استوکس به اواخر قرن ۱۹ باز میگردد، که رینولدز نتیجه تحقیقاتش را روی جریان متلاطم انتشار داد. برای حل این معادلات پرانتل در سال ۱۹۲۵ مدل اختلاط را که یک حل ریاضی برای تنش های تلاطمی بود ارائه داد. در حال حاضر مدل اختلاط به عنوان یک مدل صفر معادلهای شناخته می شود. پرانتل در سال ۱۹۴۵ برای حل تنش متلاطم تک معادله ای را ارائه کرد.کولموگرف در سال ۱۹۴۲ اولین مدل کامل تلاطم را ارائه کرد. این مدل برای سالها غیر قابل حل بود تا زمانی که کامپیوترهایی با قابلیت بالا اختراع گردید. تا در سال ۱۹۵۱ با استفاده از

دسته بندی : No category

دیدگاهتان را بنویسید