عنوان پایان‌نامه
مطالعه عددی جت های مایع پر سرعت در محیط گازی
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک تبدیل انرژی
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3029;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 69953
- تاریخ دفاع
- ۲۱ شهریور ۱۳۹۴
- دانشجو
- سهند مجیدی هروان
- استاد راهنما
- اصغر افشاری
- چکیده
- جریان جت مایع در محیط گازی هم به لحاظ جنبه های کاربردی گسترده آن در زمینه های گوناگون مهندسی، زیست محیطی و پزشکی و هم به لحاظ پدیده های فیزیکی جالبی که در آن رخ می دهد، همواره مورد توجه دانشمندان بوده است. افزایش قدرت پردازش رایانه ها خصوصا در ده سال گذشته، موجب شده است که شبیه سازی عددی مستقیم جریان جت مایع در محیط گازی بدل به یک موضوع جذاب برای مطالعه محققان گردد. تاکنون، چند مورد شبیه سازی مستقیم جریان جت مایع در محیط گازی تراکم ناپذیر به انجام رسیده است که اکثر آنان، توانسته اند فیزیک جریان را به خوبی به تصویر کشند و حتی در برخی موارد به دانسته های تجربی موجود در این زمینه بیافزایند. اما اثرات تراکم پذیری بر الگوی جریان، تاکنون کمتر مورد پژوهش عددی قرار گرفته است. لحاظ نمودن اثرات تراکم پذیری، به خصوص زمانی که سرعت جت مایع نزدیک به سرعت صوت در محیط گازی باشد، اجتناب ناپذیر به نظر میرسد. در رساله پیش رو انتشار جت مایع مافوق صوت در محیط گازی با استفاده از دو روش عددی جداگانه مورد مطالعه قرار گرفته است. به این منظور دو حلگر عددی متفاوت در دو چارچوب روش سیال مجازی و روش سطح مشترک غیرمنسجم توسعه داده شده اند. در ابتدا یک حلگر سیال مجازی جهت مطالعه جریان های دو فاز بدون ایجاد پخشی عددی در سطح مشترک دو فاز تکوین یافته است. این حلگر پایداری عددی قابل توجهی در شبیه سازی مسایل دشوار در جریان های دوفاز تراکم پذیر، به ویژه جریان های جت مایع فراصوت، به نمایش گذارد. علیرغم وجود شاخصه های اطمینان بخش در حلگر سیال مجازی، الزامات ناشی از پردازش موازی و استفاده از تکنیک ریزسازی تطبیقی شبکه به منظور ایجاد صرفه محاسباتی منجر به توسعه یک حلگر سطح مشترک غیرمنسجم در چارچوب برنامه محاسباتی شیءگرای AMROC گردید. ضمنا به منظور بهبود نقیصه پخشی عددی و افزایش کیفیت تسخیر سطح مشترک، یک روش افزایش انسجام سطح مشترک به حلگر مذکور اضافه شده است. هر کدام از حلگرهای فوق با استفاده از مسایل آزمایشی متعدد مورد اعتبارسنجی عددی قرار گرفته اند. مسایل آزمایشی به گونه ای انتخاب شده اند که در بردارنده جنبه های گوناگونی از عوامل تأثیرگذار بر جریان های دوفاز تراکم پذیر از جمله جبهه شوک و امواج فشاری، سطوح مشترک با اختلاف چگالی زیاد، تفاوت فاحش خصوصیات ترمودینامیکی دو فاز، برهم کنش شوک و سطح مشترک دو فاز، کشش سطحی و لزجت سیال باشند. نتایج بدست آمده از شبیه سازی این مسایل آزمایشی، نشان دهنده درستی پیش بینی های هر دو ابزار عددی از پدیده های فیزیکی موجود در مسایل آزمایشی مورد اشاره است. پس از حصول اطمینان از صحت عملکرد دو حلگر عددی مذکور جریان جت مایع پر سرعت شبیه-سازی شده است. هدف از انجام این مطالعه، تصویرسازی دینامیک شوک و برهم کنش سطح مشترک دو فاز و امواج فشاری ضمن تسخیر دقیق و بدون پخشی سطح مشترک دو فاز است. نتایج عددی بدست آمده از هر دو حلگر عددی، تشکیل جبهه شوک در پیشانی جت مایع، انتشار امواج ماخ عرضی و همچنین وابستگی الگوی جریان به مقدار سرعت ورودی را نشان می دهند. همچنین، تأثیر شرایط محیطی بر خصوصیات جریان نیز مورد تحقیق قرار گرفته است. واژه‌های کلیدی: جت مایع فراصوت، جریان دوفاز تراکم پذیر، روش عددی سیال مجازی، روش عددی سطح مشترک غیرمنسجم، ریزسازی تطبیقی مش محاسباتی، جبهه شوک، سطح مشترک دو فاز.
- Abstract
- Liquid jets issuing into gaseous environment have received attention due to their vast engineering, environmental, and biological applications, and also their embodied interesting physical phenomena. Promotion of computational power in the recent decade, has made this field a stimulating subject for numerical studies. Multiple direct simulations of high speed liquid jets in incompressible gaseous media have been performed which have resolved many physical details of the flow, and in some case extending the present knowledge in this area. However, compressibility effects on the flow characteristics of high-speed liquid jets have not been investigated numerically in Eulerian framework because of their further computational complexities. Consideration of the compressibility effects on high speed liquid jet flows, is inevitable specifically in the case the jet velocity is in the vicinity of sound speed of the surrounding gas. In the present investigation, supersonic liquid jets spreading into gaseous environment have been researched using two different numerical approaches, namely ghost fluid and diffuse interface methodologies. To this end, a separate flow solver based on each approach, has been developed and tested using various benchmark problems. After the accuracy of both solvers was validated, they have been utilized to simulate the emergence of supersonic liquid jets into compressible still gases. The main goal of this investigation was the resolution of compressive waves dynamics including shock-front formation, Mach waves radiation from the phase interface, and interaction of compressive waves and interface. Also, the impacts of boundary and environmental conditions on the flow characteristics have been studied. Keywords: Supersonic liquid jets, Compressible multiphase flows, Ghost fluid method, Diffuse interface method, Adaptive mesh refinement, Shock-front, Phase interface.
