سطح: مبتدی تا پیشرفته
سرگروه آموزش و بازبین: دکتر رضا احمدی
فایل شبیه سازی: همراه دارد
فایل همراه: اسلایدهای پاورپوینت آموزشی
This content is restricted to subscribers
دکتر رضا احمدی
بازیین و مدیر ارشد
دکترای مهندسی مکانیک از دانشگاه امیرکبیر
کارشناسی ارشد گرایش انرژی از دانشگاه تهران
کارشناسی مکانیک سیالات فردوسی مشهد
اسلاید های آموزشی مدرس
تایید می شود تمام اسلایدی آموزشی همراه آموزش ارسال خواهد شد
فایل های شبیه سازی
تایید می شود تمام فایل های مورد استفاده همراه آموزش ارسال خواهد شد
۱. معرفی و مروری بر شبیهسازی جریان ترانسونیک
این آموزش به شبیهسازی عددی جریان تراکمپذیر، مغشوش و ترانسونیک (Transonic) پیرامون ایرفویل شناختهشده NACA 0012 با استفاده از نرمافزار قدرتمند ANSYS CFX میپردازد. هدف اصلی این شبیهسازی، آشنایی با اصول مدلسازی و تحلیل جریانهای تراکمپذیر در مسائل آیرودینامیک خارجی و سرعتهای بالا است.
در این شبیهسازی، جریان هوا با زاویه حمله ۱٫۴۹ درجه، عدد ماخ ۰٫۷ و عدد رینولدز ۹ میلیون روی ایرفویل NACA 0012 بررسی میشود. اگرچه عدد ماخ جریان آزاد کمتر از یک است، اما به دلیل اثرات تراکمپذیری، امکان افزایش سرعت موضعی جریان در اطراف ایرفویل و تشکیل نواحی مافوق صوت وجود دارد. ازاینرو، در مدلسازی عددی باید اثرات تراکمپذیری و آشفتگی جریان بهدرستی در نظر گرفته شوند.
بهمنظور کاهش هزینه محاسباتی و افزایش سرعت حل، شبیهسازی در قالب یک مدل دوبعدی با ضخامت یک المان انجام میشود. این رویکرد امکان بررسی دقیق رفتار جریان پیرامون ایرفویل را با منابع محاسباتی کمتر فراهم میکند و چارچوب مناسبی برای آشنایی دانشجویان و مهندسان با اصول شبیهسازی جریانهای تراکمپذیر و ترانسونیک در محیط ANSYS CFX ارائه میدهد.
۲. مراحل پیادهسازی شبیهسازی در ANSYS CFX
فرآیند شبیهسازی از محیط ANSYS Workbench آغاز شده و مجموعه مراحل اصلی یک پروژه CFD را در بر میگیرد. نخستین مرحله، وارد کردن و آمادهسازی شبکه محاسباتی (Mesh) است. در این بخش، اصلاح مقیاس هندسی اهمیت ویژهای دارد؛ بهعنوان مثال، در صورتی که شبکه اولیه با واحد میلیمتر تولید شده باشد، ممکن است لازم باشد طول وتر ایرفویل از مقدار ۱۰۰۰ متر به مقدار واقعی ۱ متر اصلاح شود.
پس از آمادهسازی شبکه، مرزهای خارجی دامنه با استفاده از ابزار Flood Select به نواحی مختلف، از جمله ورودی (Inlet) و خروجی (Outlet)، تقسیمبندی میشوند.
در مرحله تنظیم دامنه حل (Domain Setup)، سیال بهصورت هوای گاز ایدهآل (Air Ideal Gas) تعریف میشود. همچنین، فشار مرجع با مقدار ۵۶۸۶۷ پاسکال و بر مبنای شرایط موردنیاز برای عدد رینولدز تعیین میشود.
برای مدلسازی صحیح اثرات تراکمپذیری، تنظیمات انرژی نیز از اهمیت بالایی برخوردارند. در این شبیهسازی، مدل انرژی روی انرژی کل (Total Energy) قرار گرفته و اثر کار لزجت (Viscous Work) نیز در نظر گرفته میشود. این تنظیمات امکان مدلسازی مناسبتر تغییرات انرژی و دما در جریانهای با سرعت بالا را فراهم میکنند.
برای مدلسازی آشفتگی جریان، از مدل SST (Shear Stress Transport) استفاده میشود. این مدل به دلیل عملکرد مناسب در پیشبینی جریانهای دارای گرادیان فشار و نواحی نزدیک دیواره، گزینهای متداول برای مسائل آیرودینامیکی محسوب میشود.
یکی دیگر از مراحل مهم، تعریف شرایط سرعت ورودی و اعمال زاویه حمله ۱٫۴۹ درجه است. برای این منظور، مؤلفههای سرعت جریان ورودی با استفاده از Expressions در CFX تعریف میشوند تا جهت صحیح جریان نسبت به وتر ایرفویل اعمال شود.
در ادامه، برای ارزیابی روند همگرایی و پایش عملکرد آیرودینامیکی، مانیتورهای آنلاین برای محاسبه و نمایش ضرایب برآ (CL) و پسآ (CD) ایجاد میشوند. این مانیتورها امکان بررسی تغییرات ضرایب آیرودینامیکی در طول تکرارهای حل و تشخیص رسیدن حل به وضعیت پایدار را فراهم میکنند.
۳. تحلیل نتایج و اعتبارسنجی شبیهسازی
پس از تکمیل حل عددی، نتایج در محیط CFD-Post مورد بررسی و تحلیل قرار میگیرند. بررسی روند همگرایی نشان میدهد که حل پس از حدود ۵۰ تکرار به وضعیت نسبتاً پایدار میرسد.
بر اساس نتایج بهدستآمده، مقادیر ضرایب آیرودینامیکی برابر با:
- ضریب برآ: CL = 0.236
- ضریب پسآ: CD = 0.0082
به دست میآیند. این مقادیر در مقایسه با دادههای تجربی مرجع، یعنی CL = 0.241 و CD = 0.0079، تطابق قابلتوجهی نشان میدهند. این میزان انطباق، بیانگر عملکرد مناسب مدل عددی در بازتولید رفتار آیرودینامیکی ایرفویل در شرایط مورد بررسی است.
یکی از نتایج مهم شبیهسازی، مشاهده افزایش قابلتوجه سرعت جریان در سطح مکش ایرفویل است. مطابق کانتورهای سرعت، سرعت موضعی جریان در این ناحیه به حدود ۳۵۰ متر بر ثانیه میرسد؛ در حالی که سرعت صوت جریان آزاد تقریباً ۳۴۰ متر بر ثانیه است. بنابراین، در اطراف سطح ایرفویل یک ناحیه مافوق صوت موضعی (Supersonic Pocket) شکل میگیرد.
این پدیده یکی از ویژگیهای مهم جریان ترانسونیک است؛ به این معنا که اگرچه سرعت جریان آزاد کمتر از سرعت صوت است، شتابگیری جریان در اطراف ایرفویل میتواند موجب عبور سرعت موضعی از سرعت صوت شود. بررسی کانتور عدد ماخ (Mach Number) نیز تشکیل این ناحیه مافوق صوت را بهصورت واضح نشان میدهد.
در مرحله نهایی، توزیع ضریب فشار (CP) روی سطح ایرفویل استخراج شده و با منحنی حاصل از دادههای آزمایشگاهی (Experiment) مقایسه میشود. این مقایسه یکی از مهمترین مراحل اعتبارسنجی یک شبیهسازی CFD است، زیرا علاوه بر مقایسه ضرایب کلی برآ و پسآ، امکان بررسی رفتار توزیع فشار در نقاط مختلف سطح ایرفویل را نیز فراهم میکند.
در مجموع، مقایسه نتایج عددی و تجربی نشان میدهد که شبیهسازی انجامشده توانایی مناسبی در پیشبینی مشخصههای آیرودینامیکی NACA 0012 در شرایط ترانسونیک دارد و میتواند بهعنوان یک نمونه کاربردی برای آموزش فرآیند کامل شبیهسازی CFD در ANSYS CFX مورد استفاده قرار گیرد.
جمعبندی
این شبیهسازی، مجموعهای از مهمترین مراحل تحلیل CFD در آیرودینامیک خارجی را پوشش میدهد؛ از آمادهسازی هندسه و شبکه محاسباتی گرفته تا تعریف مدلهای فیزیکی، تنظیم شرایط مرزی، اعمال زاویه حمله، پایش همگرایی و در نهایت تحلیل و اعتبارسنجی نتایج.
همچنین، مشاهده ناحیه مافوق صوت موضعی در جریان آزاد با عدد ماخ ۰٫۷، نمونهای مناسب برای درک فیزیک جریانهای ترانسونیک و اثرات تراکمپذیری در اطراف ایرفویل است.
تالیف گروهی ، پشتیبانی تلفنی
برنامه ریزی ، تدریس و بازبینی توسط گروهی از اساتید و دانشجویان انجام میشود تا خطاهای احتمالی را به حداقل برسانیم.
دانلود آنی/ ارسال سریع
لینک های دانلود بلافاصله پس از ثبت سفارش به پنل کاربری شما اضافه می شود و لینک دانلود به ایمیل شما هم ارسال میشود
همراه فایل های شبیه سازی
در فایل ها سعی شده تا تمام فایل های شبیه سازی ارسال شود تا دانشجویان امکان شبیه سازی گام به گام همراه استاد را داشته باشند.


















فرآیند محاسبه نیروها برای استخراج دقیق ضرایب برآ و پسآ روی مرز ایرفویل چگونه انجام میشود؟
ابتدا مؤلفههای نیروی وارد بر مرز ایرفویل، یعنی نیروی افقی و نیروی عمودی، از سطح Airfoil استخراج میشوند. سپس با توجه به زاویه حمله، این نیروها نسبت به راستای جریان تبدیل میشوند تا مؤلفههای برآ و پسآ به دست آیند. در مرحله نهایی، نیروهای بهدستآمده با استفاده از فشار دینامیکی جریان و ابعاد مرجع، به ضرایب بیبعد برآ و پسآ تبدیل میشوند.
معیار همگرایی نهایی حل عددی چیست و چرا حد خطای پیشفرض RMS یعنی 1e-4 برای این شبیهسازی کافی نیست؟
در این شبیهسازی، رسیدن خطای باقیمانده به مقدار 1e-4 لزوماً به معنای همگرایی کامل فیزیکی نیست، زیرا ممکن است ضرایب برآ و پسآ هنوز در حال تغییر باشند. بنابراین، برای افزایش دقت، حد خطای باقیمانده روی مقدار 1e-6 تنظیم میشود. علاوه بر این، همگرایی نهایی باید با بررسی نمودار مانیتورهای CL و CD تأیید شود؛ بهگونهای که این ضرایب پس از چندین تکرار به روندی تقریباً ثابت و بدون نوسان برسند.
در تنظیمات بخش Domain، برای شبیهسازی جریان تراکمپذیر و مغشوش از چه مدلها و گزینههای فیزیکی استفاده میشود؟
برای شبیهسازی جریان آیرودینامیکی در سرعت حدود ماخ 0.7، ماده سیال روی Air Ideal Gas قرار میگیرد. برای در نظر گرفتن اثرات تراکمپذیری، انتقال حرارت روی حالت Total Energy تنظیم میشود و گزینه مربوط به اثر کار لزج نیز فعال میگردد. برای مدلسازی آشفتگی جریان، از مدل Shear Stress Transport یا SST استفاده میشود.