تحقیق مطالعه عددي تاثير ميدانهاي الكترو مغناطيس بر روي جدايي جريان در ايرفويل

دسته بندي : فنی و مهندسی » مکانیک
فهرست مطالبچکيده5مقدمه. 6روشهايي که روي ديوار يا دور از آن اعمال مي شود:6روشهاي اکتيو و پسيو:6فصل اول- تعاريف مفاهيم به کار رفته در اين گزارش.. 8ضريب درگ:8نيروي درگ پوسته اي يا اصطکاکي:8نيروي درگ شکلي:8نيروي ليفت:9جدايي جريان:9شکل 1-1 نمايي از جدايي جريان بر روي يک ايرفويل. 10فصل دوم: روش هاي حل معادلات توربولانس.. 112-1 روش استاندارد ....... 112-1-1 معادلات حامل در مدل استاندارد ....... 122-1-2 مدل سازي لزجت مغشوش در مدل استاندارد ....... 122-2-3 ثابت‌هاي مدل استاندارد ....... 132-2 مدل RNG.. 132-2-1 معادلات حامل در مدل RNG.. 142-2-2 مدل سازي لزجت موثر در مدل RNG.. 142-2-3 اصلاح چرخش در مدل RNG.. 152-2-4 محاسبه اعداد پرانتل معکوس موثر در مدل RNG.. 162-2-5 ترم در معادله ... 162-2-6 ثابت هاي مدل RNG.. 172-3 مدل هوشمند 172-3-1 معادلات حامل براي مدل هوشمند192-3-2 مدل سازي لزجت مغشوش در مدل هوشمند212-3-3 ثابت هاي مدل هوشمند22فصل سوم: تئوري مدل MHD.. 233-1 روش القاي مغناطيس.. 243-2 روش پتانسيل الکتريکي. 26فصل چهارم: حل جريان و تاثير نيروي لورنتس.. 294-1 ساده سازي معادلات ماکسول. 294-2 نحوه ايجاد نيروي لورنتس موازي با جريان. 30شکل 4-1 عملگر الکترومغناطيسي جهت ايجاد نيروي لورنتس موازي با ديوار[4]324-3 شرايط مسئله و حل جريان. 32شکل 4-2 نمايش ناحيه مربوط به اعمال نيروي لورنتس بر روي ايرفويل. 32جدول 4-1 مقاديرپارامترهایهندسیوشرايطجريان. 33شكل 4-3 شبكه سازمان يافته محاسباتي از نوع c در اطراف ايرفويل. 334-4 بررسي نتايج. 33شكل 4-4 كانتور خطوط جريان بدون تاثير نيروي لورنتس در زاويه حمله 25. 34شكل 4-5 كانتور خطوط جريان با تاثير نيروي لورنتس در زاويه حمله 25. 35شکل 4-6 نمودار ضريب ليفت در زواِيای حمله مختلف با حل معادلات توربولانس با مدل استاندارد 35شکل 4-7 نمودار ضريب درگ در زواِيای حمله مختلف با حل معادلات توربولانس با مدل استاندارد 36شکل 4-8 نمودار ضريب ليفت در زواِيای حمله مختلف با حل معادلات توربولانس با مدل RNG 36شکل 4-9 نمودار ضريب درگ در زواِيای حمله مختلف با حل معادلات توربولانس با مدل RNG 37شکل 4-10 نمودار ضريب ليفت در زواِيای حمله مختلف با حل معادلات توربولانس با مدل هوشمند37شکل 4-11 نمودار ضريب درگ در زواِيای حمله مختلف با حل معادلات توربولانس با مدل هوشمند38جمع بندي و پيشنهادات.. 39مراجع. 40 چکيدهدر کار حاضر هدف ما بررسي تاثير نيروي لورتنس ناشي از تداخل ميدان هاي الكترومغناطيسي و ميدان جريان سيال، بر روي جريان سيال يونيزه آب نمک از روي ايرفويل NACA0015 مي‌باشد. در اثر تاثير اين نيروها ديده مي‌شود که ضريب ليفت افزايش و ضريب درگ کاهش مي يابد و همچنين زاويه استال افزايش مي يابد.با توجه به اثرات مثبت اين پديده بر جريان سيال، تحقيقات گسترده اي بر روي اين روش انجام شده و در صنعت ساخت هواپيما و زير دريايي مي‌تواند گره گشاي برخي نواقص باشد.     مقدمهکنترل جريان بصورت دستکاري کردن ميدان جريان براي ايجاد يک تغيير مطلوب تعريف مي شود. جريان از روي يک جسم مانند سطح بيروني هواپيما يا زير در يايي را مي­توان براي اهداف زير دستکاري کرد:1-به تاخير انداختن گذار2- به تعويق انداختن جدايش3-افزايش ليفت4- کاهش درگ فشاري و اصطکاک پوسته­ايروشهايي که براي نائل شدن به اهداف بالا مورد استفاده قرار مي­گيرد را روشهاي کنتر ل جريان مي­نامند. دسته بندي‌هاي مختلفي براي روشهاي کنترل جريان وجود دارد. گد-ال-هک [1]روشهاي کنترل جريان را در چند بخش تقسيم بندي کرده است. كه براي مثال مي توان به روشهاي زير اشاره كرد :روشهايي که روي ديوار يا دور از آن اعمال مي شود:وقتي کنترل جريان روي ديوار اعمال مي شود پارامترهاي سطح شامل زبري، شکل سطح، تحدب، جابجايي ديوار، دما و تخلخل سطح براي ايجاد مکش ودمش مي تواند روي نتايج نهايي که در بالا ذکر شد تاثير بگذارد.گرم وسرد کردن سطح نيز مي­تواند از طريق ايجاد گراديانهاي دانسيته و ويسکوزيته روي جريان تاثير گذار باشد. همچنين روشهايي که دور از ديوار (سطح) اعمال مي شوند مانند بمباران کردن لايه­هاي برشي از طريق امواج آکوستيک از بيرون سطح، شکست اديهاي بزرگ بوسيله وسايلي که دور ازديوارند روشهاي مفيد و سودمندي هستند.  روشهاي اکتيو و پسيو:روش دومي که براي دسته بندي روشهاي کنترل جريان وجود دارد به روشهاي اکتيو و پسيو موسومند. روشهاي پسيو مانند توليد کننده هاي ورتکس، فلپ ها، ريبلت ها نيازمند مصرف انرژي نيستند. ولي روشهاي اکتيو نياز به انرژي مصرفي دارند مانند مکش و دمش، سطوح متحرک. روش اکتيو ديگري که براي کنترل جرياناطراف ايرفويل استفاده مي شود هيدرو ديناميک مغناطيسي يا به اختصار MHD است که باعث افزايش ليفت و کاهش درگ مي شود. جريان يک سيال الکتروليت در داخل ميدان­هاي الکتريکي و مغناطيسي باعث اعمال نيروهاي حجمي (نيروهاي لورنتس ) به ذرات سيال مي گردد.از آغاز دهه 50 ميلادي به بعد، نحوه بکار بستن اين نيرو در صنعت هوافضا و مکانيک به عنوان يک بحث جدي موضوع تحقيقات جدي محافل علمي بوده است. ايجاد نيروي پيشران براي يک زير دريايي و يا کشتي، ايجاد نيروي پيشران در جريان مافوق صوت و ماوراي صوت، کنترل شوکجريان در دهانه ورودي جت، کنترل پديده­هاي پيچيده در جريان سيال در مجاورت ديواره از قبيل لايه مرزي، توربولانس، گردابه جريان، و جدايش از جمله کاربردهاي اين علم به شمار مي رود.  فصل اول- تعاريف مفاهيم به کار رفته در اين گزارشضريب درگ:نيروي درگ يا مقاوم وارد شده بر جسم برابر است با مجموع درگ فشاري يا شکلي و درگ اصطکاکي يا پوسته اي(1-1)(2-2) نيروي درگ پوسته اي يا اصطکاکي:نيروي درگ اصطکاکي به علت وجود تنش روي سطح حاصل مي‌گردد و نيرويي است که توسط سيال بر روي جامداتي که در مسير جريان قرار مي گيرند اعمال مي‌شود. انتقال ممنتوم عمود بر سطح ناشي از اين نيرو است که موازي با مسير جريان بر سطح وارد مي‌شود.نيروي درگ شکلي:هر گاه سيال به موازات سطح جريان نداشته باشد به طوري که جهت عبور از جسم جامد ناگزير به تغيير مسير گردد (مانند کره) علاوه بر نيروي درگ اصطکاکي نيروي درگ فشاري هم حاصل خواهد شد.درگ فشاري از اختلاف فشار زياد در ناحيه ي سکون جلوي جسم و ناحيه کم فشار در قسمت جدا شده پشت جسم در حالتي که دنباله تشکيل شود، ناشي مي‌شود. در حالي که درگ اصطکاکي به علت وجود تنش برشي روي سطح ايجاد مي‌گردد. سهم هر کدام از دو نوع درگ در نيروي درگ کل، به شکل جسم و به خصوص ضخامت آن وابسته است. به طوري که هرگاه ضخامت جسم صفر باشد يعني يک صفحه مسطح داشته باشيم، درگ فشاري صفر است و درگ کل برابر است با درگ اصطکاکي.ضريب درگ از تقسيم زير به دست مي‌آيد.(1-3)که A سطح جسم عمود بر جهت جريان است.نيروي ليفت:نيروي ليفت، مولفه عمود بر جريان نيروي وارد شده از طرف سيال بر جسم است. با توجه به تعريف نيروي ليفت، ضريب ليفت را مي‌توان به شکل زير نوشت:(1-4)ضريب ليفت تابعي از عدد رينولند و زاويه حمله است يعني(1-5)توجه داشته باشيد که زاويه حمله، زاويه بين وترايرفويل وا متداد جريان آزاد سيال است.استال: با افزايش زاويه حمله، ضريف ليفت در يک زاويه حمله، کاهش و ضريب درگ همچنان افزايش مي يابد. به اين پديده استال و به زاويه حمله اي که اين پديده در آن رخ مي‌دهد زاويه استال گويند. جدايي جريان:اگر فشار در جهت جريان افزايش يابد يعني ،گويم گراديان فشار معکوس يا نامطلوب است و اگر فشار در جهت جريان کاهش يابد يعني گوئيم گراديان فشار مطلوب است.در صورتي که فشار در طول صفحه افزايش پيدا کند نيروي مقاوم در برابر حرکت سيال در داخل لايه مرزي علاوه بر نيروي اصطکاکي، شامل نيروي فشار هم خواهد بود. بنابراين سرعت سيال کاهش مي يابد. در صورتي که تغييرات فشار زياد باشد، کاهش ممنتوم هم شديد بوده و ممکن است به صفر برسد و منفي هم بشود که در اين حالت، لايه مرزي از مرز جدا شده، جريان سيال معکوس مي‌شود که اين ناحيه را ناحيه ي جدايي و نقطه شروع اين ناحيه را نقطه جدايي جريان مي ناميم. ناحيه پايين دست خط جريان جدا شده از مرز را دنباله[1] مي ناميم در نقطه جدايي جريان، تغييرات سرعت در جهت عمود بر سطح صفحه صفر است يعني:در اثر پديده جدايش، درگ افزايش يافته و نيروي ليفت کاهش مي يابد که به هيچ وجه حالت مطلوب نيست، لذا بايستي تا حد امکان از ايجاد جدايي جريان ممانعت بعمل آورد.نمايي از جدايي جريان روي يک ايرفويل را در شکل (1-1) مي بينيد.شکل 1-1 نمايي از جدايي جريان بر روي يک ايرفويل  فصل دوم: روش هاي حل معادلات توربولانسدر اين مقال، به بررسي مدل هاي مختلف حل معادلات توربولانس بر پايه ي روش مي‌پردازيم.اين روش شامل مدل هاي استاندارد[2]، RNG [3] و مدل هوشمند[4] مي‌باشد.هر سه مدل داراي فرم هاي يکسان هستند که شامل معادلات مي‌باشند.تفاوت هاي عمده ميان اين سه مدل به شرح زير است:نحوه محاسبه لزجت مغشوشاعداد پرانتل مغشوش که پخش اغتشاشي را کنترل مي‌کنند.ترم هاي توليد يا اتلاف در معادلهمعادلات حامل، روش هاي محاسبه از جهت مغشوش و همچنين ثابت هاي مدل براي هر يک از اين مدل‌ها ارائه گرديده است. ويژگي هاي اساسي اين مدل ها، شامل توليد اغتشاش، توليد ناشي از شناوري، تاثيرات تراکم پذيري و مدلسازي حرارتي و انتقال جرم مي‌باشند. 2-1 روش استانداردساده ترين مدل هاي توربولانس مدل هاي دو معادله اي بوده که حل معادلات حامل در آن ها، محاسبه سرعت جريان مغشوش و مقياس هاي طولي را به صورت جداگانه ممکن مي‌سازد.مدل استاندارد در Fluent از جمله اين مدل هاست و از زماني که توسط لاندر[5] و اسپالدينگ[6] ارائه شد، به معمول ترين روش براي محاسبات جريان در مهندسي تبديل شده است.صلابت، توجيه اقتصادي و دقت قابل ملاحظه‌ی اين مدل براي طيف وسيعي از جريان هاي مغشوش عموميت يافتن اين مدل را در صنعت و مدل سازي حرارتي توجيه مي‌کند.اين مدل يک مدل نيمه تجربي بوده که منشا معادلات آن ملاحظات پديده و نتايج تجربي است.از آنجايي که نقاط قوت و ضعف مدل استاندارد، شناخته شده است اصطلاحاتي بر روي آن انجام گرفته تا عملکرد آن بهبود يابد. انواع ديگر اين مدل که در نرم افزار Fluent قابل دسترسي مي‌باشند مدل RNG و هوشمند است.مدل استاندارد يک مدل نيمه تجربي بر اساس معادلات حاوي انرژي سينتيک اغتشاش (k) و ميزان پراکندگي آن است. معادلات حامل اين مدل براي k از معادله دقيق ناشي مي‌شود، در حالي که معادله حامل از توجيهات فيزيکي ناشي شده و شباهت ناچيزي به معادله رياضي و دقيق خود دارد.در به دست آوردن مدل فرض بر آن است که جريان کاملاً مغشوش است و تاثيرات از جهت مولکولي قابل اغماض مي‌باشد. بنابراين مدل استاندارد تنها براي جريان هاي کاملاً مغشوش قابل استفاده مي‌باشد. 2-1-1 معادلات حامل در مدل استانداردانرژي سينتيک توربولانس (k) و ميزان پراکندگي آن از معادلات زير به دست مي آيند:(2-1) (2-2)در اين معادلات، توليد انرژي سينتيک توربولانس، ناشي از گراديان سرعت است. توليد انرژي سينتيکي توربولانس، ناشي از نيروهاي شناوري، تاثير نوسانات انبساطي در جريان هاي تراکم پذير بر روي ميزان پراکندگي هستند.ثابت ها بوده، اعداد پرانتل مغشوش براي مي‌باشند. ترم هاي تعريف شده توسط کاربر مي‌باشند. 2-1-2 مدل سازي لزجت مغشوش در مدل استانداردلزجت مغشوش يا لزجت ادي از ترکيب به صورت زير به دست مي‌آيد:(2-3)که عددي ثابت است. 2-2-3 ثابت‌هاي مدل استانداردثابت هاي اين مدل داراي مقادير زير مي‌باشند.اين ثابت ها از نتايج تجربي آزمايش هاي انجام شده بر روي هوا و آب به دست آمده است.   2-2 مدل RNGمدل RNG از تکنيک هاي پيچيده آماري حاصل شده است. اين مدل شباهت زيادي به مدل استاندارد داشته، اما اصلاحات زير در آن انجام گرفته است.مدل RNG ترمي اضافي در معادله دارد که دقت محاسبه را براي جريانهاي با سرعت بالا، افزايش مي‌دهد.اثر چرخش بر روي اغتشاش، در مدل RNG مد نظر قرار گرفته شده است که دقت را در جريان هاي چرخشي افزايش مي‌دهد.تئوري مدل RNG براي اعداد پرانتل مغشوش، فرمولي تحليلي ارائه مي‌دهد در حالي که مدل استاندارد از ثابت ها و مقادير تعريف شده توسط کاربر استفاده مي نمايد.در حالي که مدل استاندارد براي اعداد زینولدز بالا قابل استفاده است، تئوري RNG راه حل تحليلي براي جريان هاي با اعداد نيولدز پائين ارائه مي نمايد.اين خصوصيات مدل RNG را دقيق تر و کاربردي تر از مدل استاندارد و براي طيف وسيع تري از جريان ها نشان مي‌دهد.مدل RNG اساساً از معادلات نوير- استوکس[7] به دست مي‌آيد که براي اين منظور از تکينک هاي رياضي به نام renormalization group يا به اختصار روش RNG استفاده مي‌گردد.حل تحليلي باعث شده است اين مدل، مدلي با ثابت هاي متفاوت نسبت به مدل استاندارد بوده و داراي ترم ها و توابع بيشتري در معادلات باشد. 2-2-1 معادلات حامل در مدل RNGمدل RNG داراي فرمي مشابه به مدل استاندارد مي‌باشد(2-4)(2-5)در اين معادلات توليد انرژي سينتيک توربولانس، به واسطه گراديان سرعت، توليد انرژي سينتيک توربولانس به واسطه شناوري، سهم انبساط حرارتي نوساني در ميزان پخش در جريان هاي مغشوش تراکم پذير است. همچنين اعداد پرانتل معکوس موثر بر روي بوده، ترم هاي تعريف شده توسط کاربر مي‌باشند. 2-2-2 مدل سازي لزجت موثر در مدل RNGروش حذف مقياس در تئوري RNG منتج به معادله اي ديفرانسيلي براي لزجت مغشوش مي‌گردد. [1]- wake[2]- Standard k-4[3]- renormalization group[4]- realizable k-4[5]- launder[6]- spalding[7]- navier-stokes equations   عکسها و فرمولها به درستی در نمونه لود نشده اند که در تحقیق کامل موجودندشامل ورد 40 ص