جلسه دفاع از رساله دکتری (آقای محمد کاظمی اسفه)
موضوع: بررسی تجربی و عددی جریان عبوری از یک سیلندر متصل به کف با گوشه های گرد شده در نسبت های منظری متفاوت
ارائه دهنده: محمد کاظمی اسفه
استاد راهنما: دکتر احمد سوهان کار
استاد مشاور: دکتر ابراهیم شیرانی
استادان داور: دکتر محمد رضا توکلی، دکتر محسن ثقفیان، دکتر مسعود مدداللهی، دکتر مجتبی دهقان منشادی
چکیده:
در سالهای اخیر مطالعات گسترده ای بر روی رفتار آیرودینامیکی اجسام جریان بند انحام شده است. یکی از مسائلی که در این زمینه همواره توسط پژوهشگران مورد بررسی قرار گرفته است، ارائه راهکارهای مختلف به منظور کاهش نیروهای آیرودینامیکی وارد بر این اجسام و شناحت الگوها و ساختار جریان آنها است. در این پژوهش تلاش شد که تاثیر گرد کردن گوشه های یک سیلندر سه بعدی با مقطع مربعی متصل به کف بر نیروهای آیرودینامیکی، ساختار جریان دنباله و گرادبه های ایحاد شده و همچنین الگوهای جریان لحظه ای و متوسط بررسی شود. برای رسیدن به این هدف از بررسی های تجربی به کمک اندازه گیری های تونل باد و دود همچنین شبیه سازی های عددی به روش شبیه سازی ادی های بزرگ (LES) استفاده شده است. سیلندرهای سه بعدی متصل به کف مورد استفاده در این پژوهش دارای نسبتهای منظری ۷، ۴ و ۲=AR است. به منظور برررسی تاثیر گرد کردن گوشه ها بر میدان جریان و ضرایب آیرودینامیکی، نسبت های شعاع انحنا بدون بعد ۰ (مقطع مربع)، 0/1۶۷، 0/2۵ و 0/5 (مقطع دایره)=r* انتخاب شده است. در اندازه گیری های تجربی از جریان سنج سیم داغ به منظور تحلیل فرکانسی میدان جریان استفاده شده است. از آنجایی که جریان سنج سیم داغ دارای فرکانس داده برداری بالایی می باشد برای این منظور بسیار مفید است. یکی از ابزارهای مناسب برای اندازه گیری ناحیه دنباله، کاوشگر پنج حفرهای است. به کمک این ابزار می توان میدان سرعت و میدان ورتیسیته را با دقت بالایی اندازه گیری کرد. به منظور تجسم سازی میدان جریان از دو روش مرئي سازی به کمک دود و همچنین مرئی سازی به کمک روغن استفاده شده است. برای انجام مرئی سازی دود، یک تونل دود جدید ساخته شد و برای ارزیابی صحت نتایج آن ابتدا از مدل یک اتاقک استفاده شد و نتایج به دست آمده با شبیه سازی های عدد نیز مقایسه گردید. پس از اطمینان از صحت عملکرد آن، برای هندسه سیلندرها نیز استفاده شد. پژوهش های صورت گرفته به کمک جریان سنج سیم داغ، کاوشگر پنج حفرهای و مرئي سازی به کمک روغن در عدد رینولدز ۱۶۰۰۰ صورت گرفته است. اما مرئی سازی های جریان به کمک دود در اعداد رینولدز پایین (کمتر از ۱۳۰۰=Re) انجام شده است. به دلیل پیچدگی های فوق العاده میدان جریان سیلندرهای متصل به کف، شبیه سازی های عددی به کمک روش LES انجام شده است. از آنجایی که روش LES هزینه محاسباتی بالایی دارد تنها میدان جریان برای سیلندر با نسبت منظری ۷=AR شبیه سازی شده است. همانند روش تجربی سیلندرها دارای نسبت های شعاع انحنا ۰ (مقطع مربع)، 0/167، 0/25 و 0/5 (مقطع دایره)=r* هستند. شبیه سازی های عددی برای دو عدد رینولدز ۱۰۰۰ و۱۶۰۰۰ انجام شده است. با بررسی نتایج به دست آمده از اندازه گیری های آزمایشگاهی شامل مرئی سازی جریان به کمک دود، اندازه گیری میدان سرعت و ورتیسیته به کمک کاوشگر پنج حفرهای، بررسی سیستم گردابه نعل اسبی به وسیله مرئی سازی روغن و در انتها تحلیل فرکانسی ناحیه دنباله با جریان سنج سیم داغ، مشاهده شد که بر روی سطوح جانبی سیلندر با نسبت های شعاع انحنا 0/167 و 0/25=r* حباب های جدایش به وجود می آید. بررسی میدان ورتیسیته آشکار می کند که توپولوژی ناحیه دنباله (از منظر دو قطبی یا چهار قطبی بودن) تنها تابع نسبت منظری است و نسبت شعاع انحنا هیچ تاثیری در آن ندارد. با این حال قدرت گردابه های نوک تابع r* است و با گرد کردن گوشه ها از قدرت آنها کاسته می شود. بر اساس نتایج به دست آمده از جریان سنج سیم داغ می توان گفت که با افزایش نسبت شعاع انحنا فرکانس ریزش گردابه افزایش می یابد. نتایج شبیه سازی عددی به کمک LES در عدد رینولدز ۱۶۰۰۰ ارائه شده است. بررسی ضرایب آیرودینامیکی نشان می دهد که گرد کردن گوشه ها به میزان چشمگیری نیروی درگ را کاهش می دهد. به عنوان مثال با افزایش نسبت شعاع انحنا از ۰ به 0/167 ضریب درگ ۲۸ درصد کاهش می یابد. اما گرد کردن گوشه های تیز همیشه منجر به کاهش ضریب نوسانات لیفت نمی شود. برررسی ها نشان می دهد که با تغییر نسبت شعاع انحنا از ۰ به 0/167=r* ضریب نوسانات لیفت ۱۴ درصد زیاد میشود. هرچند پس از آن روند کاهشی شروع میشود. نتایج نشان میدهد که افزایش نسبت شعاع انحنا از ۰ به 0/167 و 0/25=r* باعث افزایش تنش برشی گردابه نعل اسبی می شود. همچنین مشاهده می شود که ساختار جریان بر روی سطح آزاد سیلندر به شدت تابع نسبت شعاع انحنا سطوح جانبی است. نتایج شبیه سازی های عددی در عدد رینولدز ۱۰۰۰ نیر در این پژوهش با دو هدف انجام شده است. اول آن که تاثیر عدد رینولدز بر ساختارهای جریان بررسی شود و ثانیاً نتایج شبیه سازی های LES با مرئي سازی دود مقایسه شده است. نتایج به دست آمده نشان می دهد که روش LES به خوبی می تواند ویژگی های جریان را در مقایسه با نتایج تجربی پیش بینی کند.