آموزش مدلسازی جریان توربولانس با نرم افزار Fluent

جریان سیال به دو دسته اصلی جریان آرام یا لمینار و جریان آشفته یا توربولانس تقسیم می‌شود. تقریبا همه ما به صورت کلی می‌دانیم جریان توربولانس چیست و چه تفاوتی با جریان آرام دارد. تعریف واحدی برای جریان توربولانس وجود ندارد. جریان توربولانس، جریانی ناپایدار، بی قاعده، و دارای نوسانات هم در بعد زمان و هم در بعد مکان است. اکثر جریان‌های صنعتی و اکثر جریان‌های سیال در اطراف ما در زندگی روزمره، جریان‌های توربولانسی هستند.

شبیه‌سازی کامل جریان توربولانس به علت پیچیدگی زیاد جریان تقریبا غیرممکن است. از این رو، برای پیش‌بینی اثرات جریان توربولانس، از مدل‌سازی‌های ریاضی و آماری استفاده می‌شود که در پکیج‌های CFD از جمله Fluent، تعدادی از این مدل‌ها گنجانده شده‌اند. این مدل‌‌های توربولانسی معادلات ساده‌سازی شده‌ای هستند که با منابع محاسباتی نسبتا اندک، تخمین خوبی از مشخصات جریان توربولانس در بسیاری از مسائل به ما می‌دهند.

در این مدل‌ها، هر پارامتر به صورت یک مقدار متوسط و یک مقدار نوسانی در نظر گرفته می‌شود. با بازنویسی معادلات حاکم بر جریان سیال به این صورت، به معادلات ناویر-استوکس به روش میانگین‌گیری رینولدز یا به اختصار (RANS) می‌رسیم.

در این معادلات، به دلیل وجود ترم‌های نوسانی، ترم جدیدی به نام رینولدز استرس در معادلات مومنتوم ظاهر می‌شود و هدف مدل‌های توربولانسی، مدل سازی این ترم با کمک پارامتری به نام ویسکوزیتی توربولانسی است که خاصیتی از جریان است و باید مقدار آن در سراسر جریان محاسبه شود. در معادلات نهایی نیز این پارامتر با ویسکوزیتی سیال جمع می‌شود.

در دوره مدل سازی جریان توربولانس با نرم افزار Fluent به شما در ابتدا مقدمه‌ای از جریان توربولانس و ضرورت مدل‌سازی گفته می‌شود و در فصل دوم نیز با معادلات RANS و نحوه‌ی محاسبه‌ی ترم رینولدز استرس با کمک مدل سازی آن با ویسکوزیتی توربولانسی آشنا می‌شوید. سپس در فصل سوم با انواع مدل‌های توربولانسی آشنا می‌شوید که همان طور که گفته شد این مدل‌ها مسئول محاسبه‌ی ویسکوزتی توربولانسی هستند. با توجه به اینکه هر یک از این مدل‌ها برای شرایط خاصی توسعه پیدا کرده‌اند و هیچ یک از این مدل‌ها نمی‌توانند در تمامی شرایط، تخمین درستی از مشخصات جریان توربولانسی به ما بدهند، داشتن اطلاعات اولیه راجع به تمامی این مدل‌ها لازم به نظر می‌رسد. 

همچنین جریان‌های توربولانسی در نزدیکی دیواره رفتار یکسانی دارند که از این رفتار در مدل‌های توربولانسی تحت عنوان wall function استفاده می‌شود که در فصل 4 به این موارد پرداخته می‌شود. در نهایت در جلسه آخر با مدل‌سازی جریان توربولانس در یک دفیوزر، موضوعات جلسات گذشته مرور می‌شود و نکات باقیمانده مربوط به شبیه‌ی جریان توربولانس از جمله شرایط مرزی در Fluent ذکر می‌شود.