شکل ۱۰. توزیع سرعت ۶۳
شکل ۱۱. ترسیمی ساده ازنحوه تغییرات n ۶۴
شکل ۱۲. تمامی دماغه های مختلف راکه دراین پایان نامه مدل شده است رانشان میدهد. ۶۵
شکل ۱۳. نقطه ای فرضی که نشان دهنده ی شروع شدن جریان توربولانسی است. ۷۰
شکل ۱۴. توزیع فشاربرروی سطح جسم درحالت پایه ۷۱
شکل ۱۵. توزیع سرعت برروی سطح جسم درحالت پایه ۷۲
شکل ۱۶. تغییرات تنش برشی برروی سطح جسم درحالت پایه ۷۲
شکل ۱۷. تغییرات ضریب درگ برروی سطح جسم درحالت پایه ۷۳
شکل ۱۸. توزیع سرعت برروی جسم درحالت بهینه ضریب درگ ۷۳
شکل ۱۹. توزیع فشاراستاتیکی برروی جسم درحالت بهینه ضریب درگ ۷۴
شکل ۲۰. تغییرات تنش برشی برروی بدنه درحالت بهینه ۷۴
شکل ۲۱. تغییرات ضریب فشاربرروی جسم درحالت بهینه ۷۵
شکل ۲۲. توزیع سرعت برای حالتn=1 ۷۵
شکل ۲۳.توزیع ترم توربولانس جنبشی درجریانn=1/5 ۷۶
شکل ۲۴. توزیع ترم توربولانس جنبشی درجریانn=3 ۷۶
شکل ۲۵. توزیع ترم سینتیک توربولانس درجریانn=2/5 ۷۷
شکل ۲۶. توزیع ترم سینتیک توربولانس درجریانn=1/75 ۷۷
شکل ۲۷. توزیع ترم سینتیک توربولانس درجریانn=2/125 ۷۸
فهرست جداول
جدول ۱. وابستگی جواب به تعداد مش ۵۹
جدول ۲. ضرایب درگ بدست آمده از روشهای متفاوت در Re=2×۱۰۷ و LD=10. (CD×۱۰۳) ۶۹
جدول ۳. تغییرات ضریب درگ بر اساس مقادیر مختلف n که دماغه های مختلف را ایجاد میکند. ۶۹
جدول ۴. مقادیر مختلف درگ برای مقادیر متفاوت n ۷۰
جدول ۵. مقدار ضریب درگ محاسبه شده بر روی جسم مورد نظر با استفاده از مدلهای توربولانسی متفاوت در عدد رینولدز ۲×۱۰۷ ۷۱
نمادها
CDضریب درگ
Cp ضریب فشار
D قطر جسم
Df درگ اصطکاکی پوسته
Dpدرگ فشاری
Dωترم پخش
F نیروهایی که به بدنه وارد میشوند
(G_K ) ̃تولید انرژی سینتیک توربولانسی به سبب گرادیان سرعت متوسطه
G_ωترم تولیدω
K انرژی جنبشی
L طول جسم
pفشار استاتیکی
p∞ فشار جریان آزاد
Re عدد رینولدز
〖 r〗_wفاصله از محور سطح جسم
S_mترم منبع
S_K , S_ωترم منبع تعریف شده توسط کاربر
u_τسرعت اصطکاکی
U_∞سرعت جریان آزاد
V_x , V_rسرعتهای شعاعی و محوری
xمختصات محوری و شعاعی
Y_k , Y_ωپراکندگی ترمهای توربولانسیK و ω
y_+ترم بی بعد شده برای فاصله از بده جسم
εترم اتلاف
ωترم پراکندگی ویژه
νویسکوزیته سینماتیکی
Гk ضریب پخش موثرK
Гω ضریب پخش موثرω
δ^*ضخامت جا به جایی
u^+سرعت بدون بعد
U ̅سرعت متوسطه
f_sفرکانس ریزش گردابه
Qفشار دینامیکی
چکیده
یکی از راههای کاهش مصرف انرژی برای وسایل زیر آبی، کاهش درگ وارده بر این وسایل است. دماغه اجسام زیر آبی یکی از مهمترین قسمتهای این اجسام در برخورد با شارهها است. با بهینه سازی این قسمت میتوان درگ را از طریق کنترل بر لایه مرزی سیال، با کاهش آشفتگی جریان و حتی جلوگیری از تشکیل جریان توربولانسی در لایه مرزی، کاهش داد. در این پایان نامه برای رسیدن به بهترین دماغه ممکن سعی بر آن شده از فرمولی ریاضی استفاده شود، تا تمامی منحنیهای ممکن را پوشش دهد و از بین این منحنیها بهترین منحنی انتخاب شود که دارای کمترین درگ است. سپس درگ بدست آمده از حالت بهینه با مدلی که از آزمایشگاه در دست است، مقایسه کرده و به نتایج جالبی در این زمینه میرسیم. در این بررسی شبیه سازی بر پایهی علم مکانیک سیالات محاسباتی برای مدلی با زاویه صفر درجه در Re=2×〖۱۰〗^۷ که دارای سرعت ۲۰ m⁄s است، انجام شده است. برای شبیه سازی جریان توربولانسی از مدل توربولانسی SST K-ω استفاده شده است. که در پایان مقایسهای نیز با مدلهای مختلف توربولانسی انجام گرفته و مقدار درگ بدست آمده با هم مقایسه شده است. لازم بذکر است که در این بهینه سازی تاثیرات پرهها که در قسمت دم این وسایل وجود دارند و برای ایجاد نیروی رانش هستند، دیده نشده است.
کلمات کلیدی: اجسام متقارن، مدل توربولانس، ضریب درگ، دینامیک سیالات محاسباتی
فصل اول
مقدمه
مقدمه
جریان سیال نقش مهمی در صنایع پیرامون ما همچون توربوماشینها، سیستمهای هیدرودینامیکی ، صنایع هوا و فضا، صنایع نفت و گاز و بسیاری موارد دیگر ایفا می کند. از آن جا که در اکثر صنایع و سیستمها، رژیم جریان به صورت آشفته است، بنابراین این نوع جریان از اهمیت فوق العاده ای برخوردار می باشد. دلیل اهمیت آن این است که جریان آشفته نقش مهمی در انتقال اندازه حرکت ( ممنتوم)، انتقال حرارت و جرم، تلفات انرژی و اصطکاک در سیستمهای سیالات دارد. بنابراین به منظور طراحی بهینه و مطلوب سیستمهای سیالات در صنایع مختلف ، نیاز است تا جریان های آشفته را شناخته و کمیتهای آن را مشخص نمود. تعیین این کمیتها توسط روشهای عددی و تجربی انجام می پذیرد.
در روشهای عددی با استفاده از شبیه سازی و حل معادله های حاکم بر جریان سیال نظیر معادله های پیوستگی، اندازه حرکت و انرژی ، کمیتهای جریان را در شرایط مختلف به دست آورده و با توجه به نتایج به دست آمده، سیستمهای مورد نظر طراحی ویا بهینه می شوند . در روشهای تجربی با استفاده از تجهیزاتی نظیر تونل باد، تونل آب و … مدل را در شرایط آزمایش قرار داده و با استفاده از دستگاه های اندازه گیری ، کمیتهای مختلف جریان سیال اندازه گیری شده در نتیجه می توان پدیده های فیزیکی را درک و سیستمهای سیالاتی را طراحی و بهینه نمود. دو روش فوق دارای مزایا و معایب مربوط به خود می باشند که پژوهشگران و طراحان باید از مزایای این دو روش به نحو مطلوبی استفاده  نمایند .
در روشهای تجربی نیاز به مدل، تجهیزات آزمایش و دستگاه های اندازه گیری است و معمولاً پرهزینه تر از روشهای عددی است. با توجه به مشکلات اندازه گیری برخی از کمیتهای جریان سیال و یا جریانهای ناپایا در زمانهای بسیار کوتاه، نظیر بررسی جریان اطراف یک جسم آیرودینامیکی از لحظه صفر تا زمان شکل گیری لایه مرزی، استفاده از روشهای تجربی بسیار پیچیده و مشکل است. در روشهای عددی، معادله های حاکم بر جریان سیال از روشهای مختلف حل می شوند. در این روشها با توجه به ساده سازی معادلههای حاکم بر جریان سیال، خطای ناشی از مدل آشفتگی و یا تأثیر شرایط مرزی، امکان خطا درنتایج به دست آمده وجود دارد، که بهتر است صحت نتایج حاصله با نتایج حاصل از روشهای تجربی مقایسه و کدهای نوشته شده را اصلاح نمود. در حال حاضر با توجه به هزینه های پژوهش بهتر است ازدو روش عددی و تجربی به طور مکمل، استفاده نمود[۱].
کمیتهای مهم جریان سیال
برای بررسی جریان سیال و نحوه تأثیر آن بر محیط و کنترل رفتار آن، نیاز به اندازه گیری کمیتهای جریان سیال است. برای مثال در مهندسی سازه برای تعیین نحوه بارگذاری حاصل از نیروی باد و یا شناخت جریان هوا در اطراف سازه هایی نظیر ساختمانها، پلها استادیومها و.. نیاز به مشخص نمودن توزیع فشار، توزیع سرعت، طیف اغتشاشهای جریان هوا و ضخامت لایه مرزی جریان هوا است. برای بررسی و اندازه گیری این کمیتها نیاز به انجام آزمایش است، بدین ترتیب که مدل کوچکی از سازه مورد نظر را ساخته و با استفاده از تونل باد، رفتار جریان هوا در اطراف مدل بررسی می شود. آنچه که در این روش حائز اهمیت است. قرار گرفتن مدل درداخل لایه مرزی و ایجاد تشابه هندسی و دینامیکی میان جریان هوای درون تونل باد و جریان اتمسفری می باشد. این امر توسط پارامترهایی نظیر عدد رینولدز، نحوه توزیع سرعت در اطراف مدل و اندازه گیری طیف اغتشاشهای جریان هوا انجام می شود. به منظور بررسی رفتار ارتعاشی سازه ها اندازه گیری نوع فرکانس اغتشاشهای جریان هوا بسیار حائز اهمیت است . بنابراین مشاهده می شود که اندازه گیری دقیق کمیتهای جریان هوا در اطراف مدل بسیار پر اهمیت بوده و هر گونه اشتباه و خطایی در مقادیر اندازه گیری شده می تواند باعث اشتباه در طراحی شود.
یکی از کمیت های مهم جریان سیال، سرعت لحظه ای جریان سیال است. سرعت لحظه ای جریان سیال را می توان به شکل برداری نشان داد که دارای مولفه های W(t),V(t),U(t) به ترتیب در راستای مختصات دکارتی است. سرعت لحظه ای دریک نقطه را می توان به صورت مجموع سرعت متوسط و اغتشاشهای سرعت نشان داد:
معادله ۱. معادلات سرعت
اندازه گیری مؤلفه های اغتشاشی W ⃗و V ⃗، U ⃗ و تغییرات آنها در حوزه زمان و یا فرکانس، در شناخت جریان سیال و کنترل آن از اهمیت ویژه ای برخودار است. فرکانس اغتشاشهای سرعت جریان سیال، از چند هرتز در جریان آرام تا چندین کیلوهرتز در جریان آشفته تغییر کرده و به عدد رینولدز بستگی دارد. همچنین اثر متقابل u,v بر روی یکدیگر نیز بسیار حائز اهمیت است.
در روشهای تجربی تعیین سرعت جریان سیال به دو صورت مستقیم و غیر مستقیم انجام می شود. در روش غیر مستقیم، سرعت جریان سیال به وسیله اندازه گیری فشار و با استفاده از قوانین مکانیک سیالات ودرروش مستقیم با استفاده از دستگاه هایی نظیر جریان سنج لیزری، جریان سنج سیم داغ و .. اندازه گیری میشود. در روش مستقیم، خروجی دستگاه جریان سنج سیم داغ که معمولاً به صورت ولتاژ می باشد، باید در ابتدا کالیبره شده، سپس با استفاده از ولتاژ خروجی و معادلههای کالیبراسیون، سرعت جریان سیال اندازه گیری شود.
در روش غیر مستقیم با استفاده از لوله استاتیکی پیتوت، فشار دینامیکی جریان سیال اندازه گیری و با استفاده از قوانین مکانیک سیالات، سرعت متوسط جریان سیال تعیین می شود. در این روش، اغتشاشهای جریان سیال را نمی توان اندازه گیری کرد . از طرف دیگر، پاسخ فرکانسی دستگاههای اندازه گیر فشار، بالا نبوده و با استفاده از این روش، فقط می توان سرعت لحظهای را با فرکانس چند صد سیکل در ثانیه اندازه گیری نمود. برای اندازه گیری سرعتهای لحظهای با فرکانس بالا و همچنین هنگامی که پاسخ سریع وسیله اندازه گیر در مقابل تغییرات جریان سیال مد نظر باشد، از دستگاه جریان سنج سیم داغ و یا از دستگاه جریان سنج لیزری استفاده می شود. دستگاه جریان سنج سیم داغ ، ابزاری است که به وسیله آن می توان سرعت لحظه ای جریان سیال را با فرکانس بسیار بالا اندازه گیری نمود و با استفاده از سرعت لحظه ای اندازه گیری شده، سرعت متوسط، اغتشاشهای جریان سیال، تنشهای رینولدز، زاویه جریان ( در صورت استفاده از سیم داغ دو یا سه بعدی)، جهت حرکت جریان ( بخصوص در جریانهای معکوس)، کمیتهای جریان دو فازی را اندازه گیری نمود.
اساس کار دستگاه جریان سنج سیم داغ، انتقال حرارت از یک سیم گرم با قطر بسیار پایین ( در حدود چند میکرومتر) از جنس تنگستن، پلاتین و یا آلیاژهای پلاتین است. این سیم داغ بر روی دو پایه نصب شده و در مسیر جریان سیال قرار می گیرد . هر تغییری که در شرایط جریان سیال ایجاد شود و بر روی نرخ انتقال حرارت از سیم اثر

دسته بندی : No category

دیدگاهتان را بنویسید