نماذج الاضطراب في دور مهندس ديناميكيات السوائل ثلاثي الأبعاد

ال دور مهندس ديناميكيات الموائع على ال منصة 3DEXPERIENCE يتيح للمستخدمين الاختيار بين ثلاثة نماذج للاضطرابات: Spalart-Allmaras وSST k-ω وRealizable k-ε. في هذه المقالة، سنقوم بتفصيلها لمساعدتك في الحصول على فهم أفضل للاختلافات بينها ونقاط القوة والقيود لكل منها.

ما هي نماذج الاضطراب؟

نماذج الاضطراب هي نماذج رياضية تستخدم في ديناميكيات الموائع الحسابية (CFD) لمحاكاة التدفق المضطرب. يتميز التدفق المضطرب بالدوامات المضطربة أو الدوامات الناتجة عن حركة السوائل. يتراوح حجم هذه الدوامات من عدة أضعاف حجم مجال التدفق وصولاً إلى المقياس الجزيئي. الصورة أدناه توضح تطور الدوامات الاضطرابية لزوج من مولدات الدوامات.

تحاول نماذج الاضطراب وصف سلوك هذه الدوامات وتفاعلاتها وتوفير طريقة للتنبؤ بآثار الاضطراب على سلوك التدفق العام. هناك عدة أنواع من نماذج الاضطراب، لكن معظمها يعتمد على مفهوم اللزوجة الدوامة، التي تقيس انتقال الزخم المضطرب بين طبقات السوائل المجاورة. في هذه النماذج، من المفترض أن تتصرف الدوامات المضطربة مثل سائل فعال ذو لزوجة أعلى بكثير من اللزوجة الجزيئية للسائل.

تعد نماذج الاضطراب ضرورية لمحاكاة العديد من التطبيقات الهندسية العملية، مثل تصميم الطائرات والسيارات والعمليات الصناعية. ومع ذلك، من المهم ملاحظة أن نماذج الاضطراب هي تمثيلات مبسطة لظاهرة فيزيائية معقدة، ويمكن أن تؤثر العديد من العوامل على دقة تنبؤاتها. ونتيجة لذلك، فإن اختيار نموذج الاضطراب والتحقق من صحته لتطبيق معين يتطلب بعض الفهم للفيزياء الأساسية والنظر المتأني في نقاط القوة والقيود في النموذج، وهو ما ستساعدك هذه المقالة في حله.

مقارنات

نموذج سبالرت-ألماراس هو نموذج ذو معادلة واحدة يستخدم معادلة نقل واحدة للزوجة المضطربة، مما يجعله فعالاً حسابياً للتدفقات ذات أرقام رينولدز المنخفضة. ومع ذلك، فإنه يحتوي على قيود بالنسبة للتدفقات ذات أرقام رينولدز العالية، ويمكن أن تتأثر دقتها بميزات التدفق المعقدة مثل فصل التدفق وتدرجات الضغط. في صناعة الديناميكا الهوائية، هذا النموذج هو معيار الصناعة.

نموذج SST k-ω هو نموذج معادلتين يجمع بين نموذج k-ω بالقرب من الجدار ونموذج k-ε في الطبقة الخارجية للطبقة الحدودية، مما يوفر تنبؤات دقيقة لكل من تدفقات أرقام رينولدز المنخفضة والعالية. وهذا يسمح بالتنبؤ الفائق لاحتكاك الجلد وسلوك الطبقة الحدودية الأخرى. كما يتضمن أيضًا وظيفة مزج تقوم بالتبديل بين النموذجين في منطقة الانتقال، مما يجعله أكثر تنوعًا من النماذج الأخرى. يمكن أن يتطلب نموذج SST k-ω معايرة دقيقة للمعاملات التجريبية؛ ومع ذلك، قامت شركة Dassault Systémes بمعايرة المعاملات للعمل مع التطبيقات العامة. إذا رغبت في ذلك، يمكن للمستخدم تعديل المعاملات لتتناسب مع تطبيقه. على الرغم من أنه يمكن أن يكون مكلفًا من الناحية الحسابية، إلا أن هذا النموذج هو “المعيار الذهبي” في صناعة السيارات.

نموذج k-ε القابل للتحقيق هو نموذج آخر من معادلتين يتحسن على نموذج k-ε القياسي. ويتضمن تعديلات على معادلة معدل تبديد الاضطراب، مما يجعلها أكثر دقة من الناحية الفيزيائية وتوفر تنبؤات أفضل للتدفقات ذات الميزات المعقدة مثل التدفقات الدوامية أو الدوارة. ومع ذلك، يتطلب نموذج k-ε القابل للتحقيق مستوى أعلى من الخبرة لإعداده، ويمكن أن يكون أدائه حساسًا للظروف الأولية والشروط الحدودية.

يوجد أدناه جدول يلخص المعلومات المذكورة أعلاه.

ملحوظة: تقوم شركة Dassault Systémes بإعادة معايرة معاملات الاضطراب الافتراضية بشكل دوري لضمان توافق النتائج مع المعايير التجريبية والصناعية.

ملخص

ولكل نموذج من نماذج الاضطراب نقاط قوة وقيود خاصة به، ويعتمد اختيار النموذج المناسب على التطبيق المحدد ومستوى الدقة المطلوبة. ال سبارت-ألماراس يعد النموذج اختيارًا جيدًا لتدفقات أرقام رينولدز المنخفضة، في حين أن طائرة أسرع من الصوت ك-ω يعد النموذج أكثر تنوعًا ويمكنه التعامل مع نطاق أوسع من أنظمة التدفق. ال قابلة للتحقيق ك-ε يناسب النموذج التدفقات المعقدة ذات الميزات الدوامية أو الدوارة. عند استخدام دور مهندس ديناميكيات الموائع، يجب على المرء تقييم أداء كل نموذج بعناية واختيار الخيار الأكثر ملاءمة للتطبيق المحدد. سوف تتعمق الأجزاء اللاحقة من هذه القصة في كل نموذج وتقدم أمثلة على نقاط قوته.