شبیه سازی جریان سطح آزاد

بسیاری از پدیده های مختلف در صنعت یا طبیعت شامل فصل مشترک تغییر پذیر هستند برای مثال می توان به ریزش آب از روی سریز اشاره کرد. شبیه سازی چنین پدیده هایی برای درک بهتر از رفتار جریان دو فاز  به منظور بهینه سازی طرح یا محاسبه ضرایب هیدرودینامیکی ضروری است. ردیابی صحیح  فصل مشترک پارامتر کلیدی در شبیه سازی سطح آزاد است. روش های مختلف برای ردیابی سطح  وجود دارد؛ مانند VoF (حجم سیال)، LS (سطوح هم تراز) و FT (ردیابی جبهه) . هر روش دارای مزایا و معایب خاص خود است، با این حال روش VoF  به دلیل سهولت پیاده سازی و پایستاری جرم  رایج ترین روش ردیابی سطح است.  حلگر VoF  در اپن فوم interFoam  است. این حلگر از تکنیکی به نام MULES برای فشرده سازی سطح و بازگرداندن فصل مشترک استفاده می کند. این حلگر برای سیستم دوفازی تراکم ناپذیر هم دما مناسب است.  حلگرهای مشتق شده از interFoam عبارتند از:

  •  interDyMFoam: نسخه ی که شبکه ی دینامیک را هم پشتیبانی می کند.
  • multiPhaseInterFoam:  حلگری برای شبیه سازی سیستم بیش از دو فاز برای مثال: سیستم آب-نفت-گاز
  • compressibleInterFoam: نسخه تراکم پذیر interFoam
  • در سالهای اخیر کاربران  interFoam را  گسترش داده و سازگار کرده اند تا برخی ویژگی هایی مانند تولید موج را شامل شود. این افزونه ها عبارتند از:
  • olaFoam
  • IHFoam
  • wave2Foam

در ادامه  این پست، به برخی از شبیه سازی هام  با استفاده ازحلگرهای خانواده interFoam اشاره می شود.

جریان سطح آزاد بر روی سریز


جزئیات  شبیه سازی این مساله در فصل هفت از کتابم موجود است.  برای ایجاد شبکه دوبعدی بر روی سریز پله ای از ابزارهای ایجاد شبکه اپن فوم شامل  blockMesh؛ snappyHexMesh  و extrudeMesh  استفاده شده است. هندسه با فرمت stl از نرم افزار CAD وارد شده است. blockMesh برای ایجاد شبکه پایه بکار می رود، سپس  snappyHexMesh شبکه سه بعدی نهایی را با تراش شبکه پایه در اطراف فایل CAD ورودی  استخراج می کند. برای ردیابی بهتر فصل مشترک شبکه بصورت محلی پالایش (ریز) شده است.  در نهایت، برای ایجاد شبکه مناسب برای شبیه سازی دو بعدی، شبکه  در جهت عمود جریان اکسترود شده تا تنها یک سلول داشته باشد.

The grid created with OpenFOAM tools

جریان آشفته با مدل kOmegaSST در نظر گرفته شده است.

simulation of free surface flow over stepped spillway using interFoam

جریان سطح آزاد در برخورد با جسم نیمه مغروق


طرح کلی مساله  در شکل زیر نشان داده شده است. شبیه سازی با حلگر olaFoam انجام شده است.  این حلگرشرط مرزی برای ایجاد  و جذب موج فراهم می کند. شبیه سازی من با OpenFOAM-3.0.1 انجام شده است. با این حال، لازم به ذکر است که مرزهای ایجاد و جذب موج به نسخه اخیر OpenFOAM-v5 افزوده شده است ودیگرنیازی به نصب olaFoam نیست.

طرح مساله:

The problem description of flow over sub-merged cylinder

در این مساله شبکه با ابزار blockMesh ایجاد شده است و شبکه در نزدیکی فصل مشترک و جسم نیمه مغروق ریزتر درنظر گرفته شده است.

The grid for submerged cylinder with blockMesh

نمای نزدیک تر از شبکه در نزدیکی جسم نیمه مغروق

 

The grid for submerged cylinder with blockMesh

رفتار موج در شکل زیر نشان داده شده است برای شبیه سازی جریان آشفته  مدل توربولانسی  LES اعمال شده است.

numerical simulation of wave force on submerged cylinder

تعیین ضرایب هیدرودینامیکی در این مساله دارای اهمیت است. از این رو نیروی برا و پسا در این مطالعه محاسبه شده است. نیروی برا در شکل زیر نشان داده شده است.

 

The normal lift coefficient due to wave impact on submerged cylinder

مخزن متحرک


این مساله جز مسائلی است که من در آموزش اپن فوم در انجمن هیدرولیک ایران ارائه می کنم. شبکه ی این مساله با دو ابزار blockMesh و snappyHexMesh ایجاد شده است و برای حرکت نوسانی مخزن از قابلیت شبکه ی دینامیک در حلگر interDyMFoam استفاده شده است.

simulation of sloshing using interDyMFoam

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *