پروژه بررسی راهکارهای حل نیمه دقیق و شبیه سازی عددی در مورد رفتار جریان سیال. doc

اختصاصی از فی موو پروژه بررسی راهکارهای حل نیمه دقیق و شبیه سازی عددی در مورد رفتار جریان سیال. doc دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .

نوع فایل: word

قابل ویرایش 125 صفحه

چکیده:

هدف این پایان‌نامه تحقیق در مورد راهکارهای حل نیمه دقیق از یک طرف و شبیه سازی عددی در مورد رفتار جریان سیال بر روی سرریز اوجی سد انحرافی گرمسار می‌باشد.

همچنین مقایسة نتایج بدست آمده بر روی سرریز اوجی بر اساس CFD یکی دیگر از اهداف این پایان‌نامه می‌باشد تا درمطالعات و طرحهای آتی با اطمینان خاطر بیشتر از مدلهای (CFD) استفاده گردد.

ضرورت تحقیق این پایان‌نامه گسترش استفاده از مدلهای (CFD) در داخل کشور می‌باشد بطوریکه مدلهای CFD در چند سال اخیر نقش بسزایی را در مسائل صنعتی و آکادمیک ایفا کرده است. در دو دهة قبل مسائل (CFD) به صورت آکادمیک مطرح بوده ولی در دهة اخیر در کشورهای پیشرفته رواج گستره‌ای در صنعت پیدا کرده است.

برای انتخاب بهترین طرح برای بسیاری از سدها باید با صرفه ترین و دقیق‌ترین روش را برای بررسی چگونی رفتار جریان بر روی  سرریز در صورت وقوع سیل را در نظر گرفت. تا مدتی قبل استفاده از مدل فیزیکی تنها روش بررسی بوده ولی هم اکنون استفاده از روش (CFD) رواج گسترده‌ای پیدا کرده است که هزینه و زمان بررسی کردن را پایین آورده است.

در این پایان‌نامه نحوة رفتار جریان بر روی سرریز اوجی سد انحرافی گرمسار با استفاده از برنامه Fluent و تحت سطوح بالا برندة مورد بررسی قرار گرفته است.

برای شبکه‌بندی مدل تاج سرریز سدانحرافی گرمسار از نوع شبکه‌بندی چند بلوکی استفاده شده است مدل تاج سرریز نیز به چهار ناحیه تقسیم‌بندی شده است و در حل این پروژه از مدل Vof استفاده شده است. طبق نتایج حاصل از تحقیقات به عمل آمد بر روی سرریز اوجی سد انحرافی گرمسار برای 5/0=Hd/H بر روی تاج سرریز فشار منفی تشکیل نمی‌گردد و برای 1=Hd/H و 33/1=Hd/H بر روی تاج سرریز سد انحرافی گرمسار فشا منفی تشکیل می‌گردد.

مقدمه:

درمسائل مهندسی امروزی شناخت رفتار یا عکس العمل یک پدیده نقش بسزائی دربررسی نتایج بدست آمده و طراحی دقیق مسائل مهندسی دارد، بطوریکه یک پژوهشگر یا محقق با  شناخت چگونگی رفتار یک پدیده دربرخورد با مسائل مختلف می تواند وضعیت فیزیکی پدیده را درقبال مسائل مختلف مهندسی بهبود بخشد.

به عنوان مثال درطراحی بدنه خودرو اگر یک محقق عکس العمل یا رفتار هوا نسبت به خودرو را درسرعت های بالا درنظر نگیرد باعث مشکلات عدیده ای خواهد شد بطوریکه دراین حالت ضریب بازدارندگی افزایش و درنتیجه نیروی بازدارندگی نیز افزایش می یابد و اتومبیل برای رسیدن به یک سرعت مناسب بایستی نیروی بیشتری راتولید کند که در نتیجه باعث افزایش مصرف سوخت و سایر مشکلات خواهدشد. اما امروزه کارشناسان با شناخت رفتار و عکس العمل هوا نسبت به بدنه خودرو به این نتیجه رسیده اند که بایستی بدنه خودروها حالت آیرودینامیکی داشته باشد تا با مشکلات ذکر شده مواجه نشوند.

لذا شناخت پدیده و عکس العمل آن نسبت به مسائل مختلف در امور مهندسی امروزی مانند هوا و فضا، هیدرولیک، سیالات و ... از اهمیت قابل توجهی برخودار است. دربرخورد مهندسان با مسائل و موضوعات هیدرولیکی مشخص بودن چگونگی رفتار سیال کمک بسیار زیادی را در طراحی هرچه دقیق تر پروژه ها می‌نماید. حل برخی از مسائل هیدرولیکی با روشهای حل تحلیلی امکان پذیر می باشد اما ممکن است دربرخی از موضوعات، حل تحلیلی کمک قابل توجهی را به یک محقق ننماید لذا بایستی ازحل عددی برای بررسی چگونگی رفتار سیال استفاده کرد. یکی از مسائل مهمی که کارشناسان هیدرولیک بایستی با آن آشنا باشند نحوه رفتار جریان برروی سرریزهای سازه های آبی می باشد. یکی از راه های شناخت رفتار جریان برروی سرریز استفاده از مدلهای فیزیکی می باشد.

نتایج مدلهای فیزیکی درصورتیکه شرایط مدل به خوبی ایجاد گردد قابل قبول می‌باشد. اما یکی از مشکلات مدلهای فیزیکی درپروژه های مهندسی مدت زمانی است که طول می کشد تا نتایج مورد بررسی و تجزیه و تحلیل قرار گیرد به طوریکه ممکن است ماهها  و یا دربرخی از موضوعات هیدرولیکی مانند بررسی میزان کاوتیاسیون سالها طول بکشد ویا اینکه یک محقق برای بررسی مدل فیزیکی گزینه های مختلف با محدودیت زمانی مواجه باشد. ساخت مدل فیزیکی و تجزیه و تحلیل نتایج آن هزینه قابل توجهی را درپی دارد لذا دربحث هزینه وزمان ممکن است که یک محقق امکان استفاده از مدلهای مختلف فیزیکی را برای بررسی دقیق تر نتایج نداشته باشد. دربرخی از پدیده ها و موضوعات مهندسی امکان استفاده از مدل فیزیکی نمی باشد به عنوان مثال مدلسازی محیطی با درجه حرارت 4000 درجه به بالا ممکن است بسیار سخت و یا امکان پذیر نباشد. لذا استفاده از حل عددی مسائل کمک شایانی را به یک محقق می نماید تا به بررسی موضوع بپردازد. به طوریکه می توان با کمترین هزینه ودرکمترین زمان گزینه های مختلفی را بررسی کرد.

همانطور که اشاره شد شناخت نحوه رفتار جریان برروی سرریزسازه های  آبی از اهمیت ویژه ای برخوردار است. معمولاً درطراحی سدهای انحرافی ازسرریز نوع اوجی استفاده می شود.

بررسی رفتار جریان برروی تاج سرریز برای دبی های بیشتر از دبی طراحی از اهمیت بسزایی درطراحی تاج سرریز برخودار است به طوریکه اگر فشار ایجاد شده برروی تاج سرریزهای اوجی کمتر از فشار اتمسفر گردد، فشار منفی برروی سرریز که برای دبی های بیشتر از دبی طراحی اتفاق می افتد باعث پدیده کاوتیاسیون می گردد بطوریکه این پدیده خسارات جبران ناپذیری را برای بسیاری از سازه های آبی به بار آورده است. ازجمله سازه های آبی که با این پدیده روبرو هستند می توان به سرریز سد شهید عباسپور اشاره کرد که برای دبی های بیشتر از دبی طراحی، مشکلاتی برای سرریز این سد ایجاد شده است. همچنین می توان به سد انحرافی گرمسار اشاره کرد که تاج سرریز آن دچار خوردگی و کاویتاسیون گردیده است. لذا در این پایان نامه نحوه رفتار جریان برروی تاج سرریز اوجی سد انحرافی گرمسار با استفاده از نرم افزار fluent مورد بررسی قرارگرفته است. از آنجائیکه برای مهار آبهای سطحی و سیلاب ها از سدهای انحرافی با سرریز اوجی استفاده می گرد لذا ضروریت انجام این تحقیق آن است علل فرسایش و کاویتاسیون برروی سرریز اوجی سد انحرافی گرمسار مشخص گردد و هدف این تحقیق آن است با توجه به دقت نتایج بدست آمده براساس مدل عددی CFD)) برروی سرریز اوجی و با استفاده از نرم افزار Fluent بتوان با اطمینان خاطر بیشتری ازمدلهای (CFD) استفاده کرد.

روش انجام کار بدین گونه می باشد که ابتدا بایستی مدل تاج سرریز توسط یک نرم افزار پیش پردازنده مدلسازی گردد نرم افزاری پیش پردازنده Fluent نرم افزار gambit می باشد که از قابلیت های خوبی برای شبکه بندی و معرفی شرایط مرزی مدل برخوردار است.

تشریح فصول مختلف پایان نامه :

درفصل دوم این پایان نامه تاریخچه استفاده از برنامه های CFD ارائه شده است و درفصل سوم مفاهیم اساسی پایان نامه ازجمله، هیدرولیک جریان برروی سرریز اوجی وروشها و معیارهای طراحی سرریز اوجی شرح داده شده است.

درفصل چهارم این پایان نامه توضیحاتی درمورد نرم افزار fluent و روشهای حل عددی به کارگرفته شده دراین نرم افزار شرح داد شده است و نقشه ها و اطلاعات کلی مربوط به سد انحرافی گرمسار ارائه شده است.

درفصل پنجم نتایج بدست آمده از نرم افزار fluent برروی مدل سرریز اوجی سد انحرافی گرمسار ارائه شده است که دراین فصل به بررسی اشکال بدست آمده پرداخته شده است و درفصل ششم نتیجه گیری و پیشنهادات مربوط به این تحقیق ارائه شده است.

جنبه فیزیکی پدیده انتقال در ابعاد ماکروسکوپی، با استفاده از قوانین حرکت نیوتن و اصول اساسی قوانین بقای جرم، ممنتم، انرژی و گونه‌های شیمیایی قانونمند شده است. براساس طبیعت مسئله و کمیتهای مورد نظر، این مفاهیم اساسی را می‌توان بصورت معادلات جبری، دیفرانسیلی و یا انتگرالی بیان نمود.

شبیه‌سازی عددی از جمله تکنیکهایی است که معادلات انتقال حاکم را با معادلات جبری جایگزین کرده و یک توصیف عددی از پدیده‌ها را در فضا و یا دامنه‌های محاسباتی فراهم می‌کند. صرف نظر از طبیعت مسئله شبیه‌سازی عددی مستلزم داشتن مهارت کافی در زمینه‌های مربوطه از جمله محاسبات عددی می‌باشد.

تمام مهندسان از یکی از سه روش تجربی، حل دقیق و حل عددی برای یافتن مقادیر کمیتهای مسائل تعریف شده استفاده می‌کنند. شبیه‌سازی عددی روشی مناسب برای ارائه کمیتهای معادلات انتقال می‌باشد. معمولاً در روشهای عددی مسائل بصورت سعی و خطا و با تکرار بسیار زیاد حل می‌شود. بدیهی است که انجام این کار تنها با استفاده از کامپیوتر امکان پذیر است. پیشرفت تکنیکهای حل عددی و گسترش دامنه کاربرد آن برای مسائل پیچیده‌تر با پیشرفت فناوریهای سخت افزاری و نرم‌افزاری ارتباطی مستقیم دارد. استفاده از ابرکامپیوترها و پردازشگرهای موازی در شبیه‌سازی عددی، مثال بارزی برای اثبات این ادعا است.

فهرست مطالب:

چکیده:

فصل اول/کلیات

مقدمه

CFD چیست؟

نقش CFD در دنیای فناوری مدرن امروزی

اهمیت انتقال حرارت و جریان سیال

متدهای پیشگویی

امتیازات یک محاسبه تئوری

هزینه کم

اطلاعات کامل

توانایی شبیه سازی شرایط واقعی

توانایی شبیه‌سازی شرایط ایده‌آل

نارساییهای محاسبه تئوری

انتخاب متد پیشگوی

یک برنامه CFD چگونه کار می‌کند؟

توضیح سازگاری و پایداری

فصل دوم/تاریخچه

تاریخچه

فصل سوم/مفاهیم اساسی پایان‌نامه

3-1- مقدمه

3-2- انتخاب دبی طرح برای سرریز

3-3- شکل‌گیری سرریز از نوع پیوند (Ogee)

3-4- سرریز WES

3-4-1- طراحی هیدرولیکی سرریز WES

3-4-1- اثر ارتفاع سرریز و ارتفاع آب در سراب بر ضریب C

3-4-2- اثر شیب بدنه در سراب بر ضریب C

3-4-3- اثر ارتفاع آب و رقوم کف در پایاب بر ضریب C

3-4-4- اثر پایه‌های پل و دماغه سواحل بر ضریب دبی جریان

3-4-5- طراحی بدنه سرریز WES

3-4-6- طراحی بدنه سرریز کوتاه بدون دریچه WES در تنداب‌ها

3-5- کنترل‌کاویتاسیون در سرریزهای بلند

فصل چهارم/آشنایی با برنامه Fluent

(روشهای حل عددی استفاده شده در مدل Fluent)

4-1 قابلیتها و محدودیتهای نرم‌افزار فلوئنت

4-1-1- توانائیهای نرم‌افزار فلوئنت

قابلییتهای مدلسازی فیزیکی

الف- آشفتگی

ب-احتراق/واکنشهای شیمیایی

ج- تابش

د- جریانهای چند فازی

ه- جریانهای فاز گسسته

و- گزینه‌های شرائط مرزی

ز- توابع تعریف شونده توسط کاربر

ح- سایر توانمندیها

توانا ئیهای جدید نسخه‌های سری 6 نرم‌افزار فلوئنت

4-1-2- محدودیتهای نرم‌افزار فلوئنت

4-2- نگاهی گذرا به چگونگی استفاده از نرم‌افزار فلوئنت

4-2-1- چگونگی شبیه‌سازی جریان به روش CFD

4-2-2- راه‌ اندازی نرم‌افزار فلوئنت

راه‌اندازی نرم‌افزار فلوئنت در سیستم عامل UNIX

راه‌اندازی نرم‌افزار فلوئنت در سیستم عامل WINDOWS

4-3- روشهای حل معادلات

4-3-1 گسسته‌سازی معادلات

4-3-1-1 روش تفاضل پیشرو مرتبه اول

4-3-1-2- روش Power Law

4-3-1-3- روش پیشرو مرتبه دوم

4-3-1-4- روش QUICK

4-3-1-5- شکل خطی شده معادله گسسته

4-3-1-6- پارامتر Under-Relaxation

4-3-2- روش حل Segregated

4-3-2-1- گسسته‌سازی معادله ممنتم

روشهای میانیابی فشار

4-3-2-2- گسسته‌سازی معادله پیوستگی

4-3-2-3- گوپلینگ سرعت-فشار

الگوریتم SIMPLE

روش SIMPLEC

روش PISO

تصحیح همسایه

تصحیح تابیدگی

رفتار ویژه نیروهای وزنی قوی در جریانهای چند فازی

4-3-3- روش حل Coupled

4-3-3-1- فرم برداری معادلات حاکم

پیش شرط

تجزیه تفاضل شار

4-3-3-2- گام زمانی برای جریانهای پایا

روش صریح

4-3-3-3- گسسته‌سازی موقتی برای جریانهای ناپایا

گام زمانی صریح

قدم زنی دوگانه

4-4 روش چند شبکه

4-4-1 تقریب

اصول روش چند شبکه‌ای

انتقال اطلاعات

چند شبکه‌ای بی‌سازمان

4-3-3-4- چرخه‌های چند شبکه

4-3-3-5- روش چند شبکه‌ای جبری (AMG)

4-4- مدلهای تابشی و حرارتی

4-4-1- کاربردهای انتقال حرارت تشعشعی

4-4-2- تشعشع خارجی

4-4-3-  انتخاب یک مدل تشعشع

4-4-4- مدل تابشی DTRM

- تئوری و معادلات حاکم مدل DTRM

مسیریابی پرتو

دسته‌بندی

شرط مرزی مدل DTRM در دیواره‌ها

شرط مرزی مدل DTRM در ورودیها و خروجیهای جریان

4-4-5- مدل تابشی P--1

تئوری و معادلات مدل P-1

- پراکندگی غیر همگن

- اثرات ذره در مدل P-1

- شرط مرزی مدلP-1 در دیواره‌ها

شرط مرزی مدل P-1 در ورودیها و خروجیهای جریان

4-4-6- مدل تابشی راسلند

- تئوری و معادلات مدل راسلند

شرط مرزی راسلند در ورودیها و خروجیهای جریان

4-4-7- مدل تابشی D O

- تئوری و معادلات مدل DO

4-5- جریانهای چندفازی

4-5-1- مدل حجم سیال(VOF)

4-5-1-1- تئوری مدل VOF

میانیابی در مرز تقابل بین فازها

- روش تجدید ساختار هندسی

- روش Donor-Acceptor

- روش صریح اولر

- روش ضمنی

- کشش سطح

- چسبندگی دیواره

4-5-2- چگونگی استفاده از مدل VOF

- فعال سازی مدل VOF

- تعریف فازها

- فعال سازی کشش سطحی و چسبندگی دیواره

- انتخاب فرمولاسیون VOF

- چند مثال نمونه

تنظیم پارامترهای شبیه‌سازی جریان ناپایا برای مدل VOF

وارد کردن نیروی وزن در محاسبات VOF

تعیین شرائط مرزی

- تعیین شرائط اولیه کسرهای حجمی

- استراتژیهای حل

پس پردازش مدل VOF

4-5-2- مدل کاویتاسیون

4-5-2-1- تئوری مدل کاویتاسیون

- معادله کسر حجمی

- محاسبه انتقال جرم بین فازها

4-5-2-2- چگونگی استفاده از مدل کاویتاسیون

- فعال‌ کردن مدل کاویتاسیون

- تعریف فازها

- تنظیم پارامترهای مدلسازی کاویتاسیون

- تأثیر نیروی وزن در محاسبات کاویتاسیون

- تعیین شرائط مرزی

- استراتژی حل

4-5-3- مدل اختلاط خطای جبری (ASM)

4-5-3-1- تئوری مدل اختلاط خطای جبری (ASM)

- معادله کسر حجمی فاز ثانویه

4-5-3-2- چگونگی استفاده از مدل ASM

- فعال‌ کردن مدل ASM

- تنظیم پارامترهای مدل ASM

- تعیین شرائط مرزی

- تعیین شرائط اولیه کسرهای حجمی

- استراتژی حل

فصل پنجم/سد انحرافی گرمسار

5-1- سد انحرافی گرمسار

مقدمه:

5-2- مشخصات جغرافیای و عمومی سد انحراف گرمسار

فصل ششم/نتایج آنالیز جریان بر روی سرریز سد انحرافی گرمسار

6-3 مراحل آنالیز جریان بر روی سرریز اوجی سد انحرافی گرمسار با استفاده از برنامه Fluent

6-3-1- تعریف کردن هدفهای شبیه‌سازی

6-3-2- انتخاب مدل محاسباتی

6-3-3- انتخاب مدل فیزیکی

6-3-4- مراحل انجام پروژه تحقیقات

6-3-4-1 تولید شکل

6-3-4-2- شبکه بندی در نرم‌افزارهای پیش‌پردازنده

6-3-4-3- انواع شبکه‌ بندی

6-3-4-4- شبکه‌بندی سرریز اوجی سد انحرافی گرمسار

6-3-4-5- بررسی شبکه‌بندی مدل سرریز اوجی انحرافی گرمسار

6-3-5- تعیین شرایط مرزی برای شبکه‌بندی مدل سرریز اوجی سد انحرافی گرمسار

6-3-6- انتخاب شیوه محاسباتی و فرمول بندی حل مدل سرریز اوجی سد گرمسار در برنامه Fluent

6-3-7- تعیین خواص سیال

فصل هفتم/بحث و نتیجه‌گیری

 نتیجه‌گیری و پیشنهادات

پیشنهادات

مراجع و منابع

منابع و مأخذ:

[1] دینامیک سیالات محاسباتی برای مهندسان/تألیف ک.ا.هافمن، اس.تی.چیانگ/ ترجمه دکتر احمدرضا عظیمیان

[2] سازه‌های انتقال آب/تألیف دکتر محمد کریم بیرامی/ مرکز نشر دانشگاهی صنعتی اصفهان

[3]G.F. Pinder, W.G. Gary, “Is there a difference in the finite difference methods.” Wat. Resou. Res 12(1), pp105-107,1976.

[4] [1K. Versteeg, W. Malasekera ,“An introduction to computational fluid dynamics.”,1995.

[5] “Cavitation In Chutes And Spill Ways”, USBR. Publication, U.S.A.1990.

[6] D.K.H.Ho,K.M.Boyes And S.M.Donohoo “Investigation Of Spillway Behaviour Under Increased Maximum Flood By Computational Fluid Dynamic Technique”,’ tth Australasian Fluid Mechanics Conference 2001

[7] M P. Holloway & A fl. Bottche , “Best mangement practices for reducing nitrate contamination of the groundwater on davirv frams.”1996

[8] P. Wesseling, A. Segal. C.G. Kassels, “Computing flows on general three-dimensional nonsmooth staggered grids.”, J. Comp. Phys,149 .pp.333-362,1999.

[9] S.V. Patankar. “Numerical heat. transfer and fluid flow.”, Hemisphere Publishing Corporation, 1980.

[10] C. M. Rhie and W. L. chow. Numerical Study of turbulent Flow Past an Airfoil with Trailing Edge Separation. AIAA Journal, 21(11):1525-1532, November 1983.

[11] R. I. Issa. Solution of  Implicitly Discritized  Fluid Flow Equations by Operator Splitting.  J. Comput. Phys., 62:90-65, 1986.

[12] J. M. Weiss and W. A. Smith. Preconditioning Applied to Variable and Constant Density Flows. AIAA Journal, 33(11):2050-2057, November 1995.

[13 J. P. Vandoormaal and G. D. Raithby. Enhancements of  the SIMPLE Method for Predicting Incompressible Fluid Flows. Numer. Heat Transfer, 7:197-163, 1989

[14] T. J. Barth and D. Jespersen. The design and application of Up-Wind schemes on unstructured meshes. Technical Report AIAA-890366, AIAA 27th Aerospace Science Meeting, Reno, Nevada, 1989

[15] K. Unarni ,T. Kawachi ,M. Munir Babar And H. Itagaki,” Two-Dimensional Numerical Model Of Spiliway Flow”, Journal Of 1-lydraulic Engineering ,April 1999.