 |
جریان آرام در یک میکسر هم زده بافلد
معرفی
این تمرین نمونه ای از استفاده از ویژگی های ماشین های دوار در ماژول CFD است. رابط های Rotating Machinery به شما این امکان را می دهد که قطعات متحرک دوار را در مخازن همزن، میکسرها و پمپ ها مدل کنید.
چارچوب Rotating Machinery معادلات Navier-Stokes را در یک سیستم مختصات دوار فرموله می کند. قطعاتی که چرخش ندارند در سیستم مختصات مکانی ثابت بیان می شوند. قطعات دوار و ثابت باید توسط یک جفت هویت با هم جفت شوند، جایی که یک شرط مرزی تداوم شار اعمال می شود.
در مواردی که امکان تقسیم دستگاه مدل‌سازی شده به هندسه‌های چرخشی ثابت وجود دارد، می‌توانید از تنظیمات از پیش تعریف‌شده ماشین‌های دوار استفاده کنید. عملیات مورد نظر می تواند، برای مثال، چرخاندن یک پروانه در یک مخزن بافل باشد. این مورد در شکل 1 نشان داده شده است، جایی که پروانه از موقعیت 1 به 2 می چرخد. مرحله اول تقسیم هندسه به دو قسمت است که هر دو از نظر چرخشی ثابت هستند، همانطور که در مرحله 1a نشان داده شده است. مرحله دوم این است که قطعات را با استفاده از یک قاب چرخان مدل سازی کنید و قطعاتی را که باید با استفاده از یک قاب ثابت مدل سازی کنید (مرحله 1b). COMSOL Multiphysics به طور خودکار تبدیل مختصات و اتصال قطعات ثابت و متحرک را کنترل می کند (مرحله 2a).
شکل 1: روش مدل‌سازی در راه‌اندازی ماشین‌های دوار در COMSOL Multiphysics.
تعریف مدل
مدلی که در این مثال به آن پرداخته اید، مدلی است که از یک همزن هم زده گیج شده است. شکل 2 هندسه مدل شده را نشان می دهد. پروانه در خلاف جهت عقربه های ساعت با سرعت 10 دور در دقیقه می چرخد و سیال موجود در مخلوط کن آب است.
معادلات مدل معادلات ناویر-استوکس هستند که در یک قاب چرخشی در حوزه داخلی و در مختصات ثابت در قسمت بیرونی فرموله شده‌اند.
در دیوارهای ثابت میکسر، هیچ شرایط مرزی لغزش اعمال نمی شود. شرایط مرزی روی پروانه دوار با همان سرعتی که شرایط چرخش بدون لغزش در خلاف جهت عقربه های ساعت می چرخد تنظیم شده است. هنگامی که سرعت ترجمه در بخش حرکت دیوار از ویژگی دیوار روی Automatic from Frame تنظیم شده باشد، این کار به طور خودکار انجام می شود .
پیاده سازی، اعمال تنظیمات از پیش تعریف شده برای ماشین های دوار، رابط جریان آرام، ساده است. ابتدا هندسه را با استفاده از دو حوزه مجزای غیر همپوشانی برای قسمت های ثابت و دوار ترسیم می کنید. مرحله بعدی تشکیل یک اسمبلی و ایجاد یک جفت هویت است که این امکان را فراهم می کند که دو دامنه را به عنوان بخش های جداگانه در نظر بگیریم. سپس مشخص می کنید که کدام قسمت از قاب چرخان استفاده می کند. پس از انجام این کار، می توانید به مراحل معمول تنظیم خصوصیات سیال و شرایط مرزی و در نهایت مش بندی و حل مشکل ادامه دهید.
شکل 2: هندسه مخلوط کن بهم زده. حوزه داخلی با یک قاب چرخان و حوزه بیرونی با یک قاب ثابت (مکانی) نشان داده می شود.
نتایج و بحث
شکل 3 نرخ برش را در آخرین مرحله زمانی نشان می دهد که میکسر با سرعت کامل به مدت 6 ثانیه چرخیده است. نرخ برش می تواند مهم باشد، به عنوان مثال زمانی که مخلوط از سلول های زنده تشکیل شده است که به نرخ های برش بسیار بالا حساس هستند.
شکل 3: نرخ برش پس از 6 ثانیه. نمودار نشان می دهد که نرخ برش در نوک تیغه های پروانه به حداکثر مقدار خود می رسد.
در شکل 3 ، به وضوح می‌بینید که نرخ برش در جایی که سرعت پروانه بالاترین است، بالاتر است، که مورد انتظار است. اگر سرعت برش خیلی زیاد است، پروانه را با لبه های تیز پیشرو و عقب طراحی کنید.
شکل 4 میدان سرعت را در صفحه yz در t = 5.5 ثانیه نشان می دهد. واضح است که پروانه در جایی که تیغه ها از سیال عبور می کنند جریان رو به پایین ایجاد می کند.
شکل 4: میدان سرعت در صفحه yz در t = 5.5 ثانیه.
می توانید از دکمه Player در نوار ابزار اصلی برای ایجاد یک انیمیشن استفاده کنید.
به منظور به حداقل رساندن زمان مورد نیاز برای رسیدن به یک وضعیت جریان کاملاً توسعه یافته و در عین حال گذرا، مدل در دو مرحله حل می شود. ابتدا، یک مطالعه روتور منجمد برای رسیدن به یک راه حل اولیه خوب بدون نیاز به حل راه اندازی مشکل استفاده می شود. برای همگرایی این مرحله، از یک جارو پارامتریک برای حل مدل با عدد رینولدز کم و افزایش ویسکوزیته دینامیکی استفاده می شود و سپس دوباره با ویسکوزیته دینامیکی واقعی سیال محاسبه می شود.
سپس محلول روتور منجمد به عنوان شرایط اولیه برای شبیه سازی گذرا استفاده می شود. در طول شبیه سازی گذرا، مدل به مدت 4.0 ثانیه مطابق با 34 دور کامل پروانه اجرا می شود.
نکاتی درباره پیاده سازی COMSOL
برنامه حاضر یک شبیه سازی گذرا را نشان می دهد که در آن سرعت پروانه از 0 به 10 RPM در طول 2 ثانیه اول افزایش می یابد. در مواردی که راه اندازی مشکل مورد علاقه نیست، زمان مورد نیاز برای رسیدن به حالت جریان کاملاً توسعه یافته و در عین حال گذرا، می تواند با حل مدل در دو مرحله به حداقل برسد. اول، یک مطالعه روتور منجمد می تواند برای رسیدن به یک راه حل اولیه خوب بدون نیاز به حل راه اندازی گذرا مشکل استفاده شود. سپس محلول روتور منجمد به عنوان شرایط اولیه برای شبیه سازی گذرا استفاده می شود.
مسیر کتابخانه برنامه: CFD_Module/Fluid-Structure_Interaction/baffled_mixer
دستورالعمل های مدل سازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی 
Model Wizard کلیک کنید .
Model Wizard کلیک کنید .مدل جادوگر
1 | در پنجره Model Wizard ، روی  3D کلیک کنید . |
2 | در درخت Select Physics ، Fluid Flow>Single-Phase Flow>Rotating Machinery، Fluid Flow>Liminar Flow را انتخاب کنید . |
3 | روی افزودن کلیک کنید . |
4 |  روی مطالعه کلیک کنید . |
5 | در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Time Dependent را انتخاب کنید . |
6 |  روی Done کلیک کنید . |
هندسه 1
واردات 1 (imp1)
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  واردات کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای واردات ، بخش واردات را پیدا کنید . |
3 |  روی Browse کلیک کنید . |
4 | به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل baffled_mixer.mphbin دوبار کلیک کنید . |
5 |  روی Import کلیک کنید . |
از حالت اسمبلی برای ایجاد اشیاء هندسی جداگانه استفاده کنید. این، همراه با یک جفت هویت، برای تکنیک مش کشویی مورد نیاز است.
فرم اتحادیه (فین)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Geometry 1 روی Form Union (fin) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات Form Union/Assembly ، بخش Form Union/Assembly را پیدا کنید . |
3 | از لیست Action ، Form an assembly را انتخاب کنید . |
4 |  روی Build Selected کلیک کنید . |
5 |  روی دکمه Transparency در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
6 |  روی دکمه Zoom Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
یک تابع پله ای ایجاد کنید که از آن برای افزایش چرخش پروانه از صفر به 10 دور در دقیقه در مدت زمان 2 ثانیه استفاده می کنید.
تعاریف
مرحله 1 (مرحله 1)
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Functions کلیک کنید و Local>Step را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مرحله ، قسمت پارامترها را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن مکان ، 1 را تایپ کنید . |
4 | برای گسترش بخش Smoothing کلیک کنید . در قسمت متنی Size of transition zone ، 2 را تایپ کنید . |
متغیرهای 1
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  متغیرها کلیک کنید و متغیرهای محلی را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای متغیرها ، بخش متغیرها را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام | اصطلاح | واحد | شرح |
دور در دقیقه | 10[1/min]*step1(t[1/s]) | 1/s | چرخش در دقیقه |
مش متحرک
دامنه چرخشی 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Moving Mesh روی Rotating Domain 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای چرخش دامنه ، قسمت انتخاب دامنه را پیدا کنید . |
3 | در لیست، 1 را انتخاب کنید . |
4 |  روی حذف از انتخاب کلیک کنید . فقط دامنه 2 انتخاب شده است. |
5 | فقط دامنه 2 را انتخاب کنید. |
6 | قسمت Rotation را پیدا کنید . در قسمت متن f ، rpm را تایپ کنید . |
مواد را اضافه کنید
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material باز شود . |
2 | به پنجره Add Material بروید . |
3 | در درخت، Built-in>Water, liquid را انتخاب کنید . |
4 | روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
5 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material بسته شود . |
جریان آرام (SPF)
تمام مرزهایی که در مجاورت دامنه چرخشی قرار دارند به طور پیش فرض روی مرزهای چرخشی تنظیم می شوند. مرز پایین نباید بچرخد، بنابراین یک شرط مرزی دیوار بدون لغزش اضافه کنید.
دیوار ثابت
1 | در پنجره Model Builder ، روی Laminar Flow (spf) کلیک راست کرده و Wall را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات دیوار ، Fixed Wall را در قسمت متن برچسب تایپ کنید . |
3 | فقط مرز 25 را انتخاب کنید. |
4 | برای گسترش بخش Wall Movement کلیک کنید . از لیست سرعت ترجمه ، صفر (دیوار ثابت ) را انتخاب کنید . |
تقارن 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Symmetry را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرزهای 4 و 26 (مرزهای بالا) را انتخاب کنید. |
در نهایت، یک محدودیت نقطه فشار را در یکی از مرزهای بالا اضافه کنید.
محدودیت نقطه فشار 1
1 | در نوار ابزار فیزیک ، روی  Points کلیک کنید و محدودیت نقطه فشار را انتخاب کنید . |
2 | فقط نقطه 4 را انتخاب کنید.  |
مش 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Mesh 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مش ، قسمت Physics-Controlled Mesh را پیدا کنید . |
3 | از لیست اندازه عنصر ، Fine را انتخاب کنید . |
اندازه
1 | روی Component 1 (comp1)>Mesh 1 کلیک راست کرده و Edit Physics-Induced Sequence را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای اندازه ، قسمت اندازه عنصر را پیدا کنید . |
3 | روی دکمه Custom کلیک کنید . |
4 | قسمت پارامترهای اندازه عنصر را پیدا کنید . در فیلد متنی حداکثر نرخ رشد عنصر ، 1.2 را تایپ کنید . |
5 | در قسمت متنی Minimum size element ، 0.0013 را تایپ کنید . |
ویژگی های لایه مرزی 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Boundary Layers 1 را گسترش دهید ، سپس روی Boundary Layer Properties 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای خصوصیات لایه مرزی ، در نوار ابزار پنجره Graphics ، در کنار Deselect Box کلیک کنید ، سپس Entity Inside را انتخاب کنید .   |
3 | فقط مرزهای 1-3، 5-7، 10-13، 16-22 و 25 را انتخاب کنید. |
لایه های مرزی 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Boundary Layers 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای لایه های مرزی ، برای گسترش بخش تنظیمات گوشه کلیک کنید . |
3 | از فهرست Handling of the sharp edges ، Splitting را انتخاب کنید . |
لایه های مرزی 2
1 | در نوار ابزار Mesh ، روی  Boundary Layers کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای لایه های مرزی ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
3 | از لیست سطح نهاد هندسی ، دامنه را انتخاب کنید . |
4 | فقط دامنه 2 را انتخاب کنید. |
ویژگی های لایه مرزی
1 | در پنجره Model Builder ، روی Boundary Layer Properties کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای خصوصیات لایه مرزی ، در نوار ابزار پنجره Graphics ، روی گزینه Select Box کلیک کنید ، سپس Entity Inside را انتخاب کنید .   |
3 | فقط مرزهای 27–36 و 38–47 را انتخاب کنید. |
4 | قسمت لایه ها را پیدا کنید . در قسمت متنی Number of layers عدد 2 را تایپ کنید . |
5 | در قسمت متنی ضریب تنظیم ضخامت ، 5 را تایپ کنید . |
لایه های مرزی 2
1 | در پنجره Model Builder ، روی Boundary Layers 2 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای لایه های مرزی ، قسمت تنظیمات گوشه را پیدا کنید . |
3 | از فهرست Handling of the sharp edges ، Trimming را انتخاب کنید . |
4 | در پنجره Model Builder ، روی Mesh 1 کلیک راست کرده و Build All را انتخاب کنید . |
مطالعه 1
مرحله 1: وابسته به زمان
1 | در پنجره Model Builder ، در بخش مطالعه 1 ، روی Step 1: Time Dependent کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مربوط به زمان وابسته ، قسمت تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متنی زمان خروجی ، range(0,0.25,6) را تایپ کنید . |
قبل از حل، تنظیمات حل کننده پیش فرض را نمایش دهید تا بتوانید حداکثر گام زمانی را تنظیم کنید. مرحله زمانی با توجه به اندازه مش و سرعت چرخش در جفت هویت محدود شده است.
راه حل 1 (sol1)
1 | در نوار ابزار مطالعه ، روی  Show Default Solver کلیک کنید . |
2 | در پنجره Model Builder ، گره Solution 1 (sol1) را گسترش دهید ، سپس روی Time-Dependent Solver 1 کلیک کنید . |
3 | در پنجره تنظیمات برای حل وابسته به زمان ، برای گسترش بخش Time Steping کلیک کنید . |
4 | از لیست محدودیت حداکثر گام ، Constant را انتخاب کنید . |
5 | در نوار ابزار مطالعه ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
گروه‌های نمودار پیش‌فرض، میدان سرعت را در یک نمودار برش و خطوط فشار روی دیوارها را تجسم می‌کنند. این مراحل را برای ایجاد نمودار نرخ برش دنبال کنید.
گروه سه بعدی پلات 3
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Plot Group کلیک کنید و 3D Plot Group را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره Settings for 3D Plot Group ، قسمت Plot Settings را پیدا کنید . |
3 | از لیست Frame ، Spatial (x، y، z) را انتخاب کنید . |
برش 1
1 | روی 3D Plot Group 3 کلیک راست کرده و Slice را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Slice ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expression کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Laminar Flow>Velocity and Press>spf.sr – Shear rate – 1/s را انتخاب کنید . |
3 | قسمت Plane Data را پیدا کنید . از لیست Plane ، xy-planes را انتخاب کنید . |
4 | از لیست روش ورود ، Coordinates را انتخاب کنید . |
5 | در نوار ابزار 3D Plot Group 3 ، روی  Plot کلیک کنید . |
6 |  روی دکمه Transparency در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
7 |  روی دکمه Go to Default View در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
8 |  روی دکمه Zoom Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
در نهایت، یک نمودار فلشی از میدان سرعت در یک مقطع 2 بعدی از محور میکسر ایجاد کنید.
برش هواپیما 1
در نوار ابزار نتایج ، بر روی Cut Plane کلیک کنید .
Cut Plane کلیک کنید .گروه طرح دو بعدی 4
1 | در نوار ابزار نتایج ، روی  2D Plot Group کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 2D Plot Group ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از لیست Dataset ، Cut Plane 1 را انتخاب کنید . |
4 | از لیست زمان (ها) ، 5.5 را انتخاب کنید . |
5 | قسمت Plot Settings را پیدا کنید . از لیست Frame ، Spatial (x، y، z) را انتخاب کنید . |
سطح پیکان 1
1 | روی 2D Plot Group 4 کلیک راست کرده و Arrow Surface را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Arrow Surface ، بخش Expression را پیدا کنید . |
3 | از لیست سیستم مختصات ، Cut plane را انتخاب کنید . |
4 | در قسمت متن x-component ، v را تایپ کنید . |
5 | در قسمت متنی y-component ، w را تایپ کنید . |
6 | قسمت تعیین موقعیت پیکان را پیدا کنید . زیربخش نقاط شبکه ای x را پیدا کنید . در قسمت متنی Points عدد 30 را تایپ کنید . |
7 | زیربخش نقاط شبکه ای y را پیدا کنید . در قسمت متنی Points عدد 30 را تایپ کنید . |
8 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . |
9 | چک باکس Scale factor را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، 0.4 را تایپ کنید . |
10 | در نوار ابزار 2D Plot Group 4 ، روی  Plot کلیک کنید . |
