شبیه سازی عددی لایه های اختلاط تراکم پذیر آشفته با استفاده از مدل آشفتگی شبیه سازی گردابه های بزرگ

در این پژوهش، نتایج شبیه سازی عددی سه بعدی لایه های اختلاط تراکم پذیر آشفته با استفاده از مدل آشفتگی شبیه سازی گردابه های بزرگ ارائه شده است. لایه های برشی آزاد تراکم پذیر در بسیاری از مسائل پیچیده صنعتی اهمیت دارند. یک نمونه از جریان های برشی، لایه های اختلاط تراکم پذیر می باشند که یکی از بهترین موارد برای مطالعه اثرات تراکم پذیری و آشفتگی است. لایه های اختلاط از دو جریان موازی با سرعت های متفاوت تشکیل شده اند. در روش شبیه سازی گردابه های بزرگ، برای جدا سازی مقیاس های کوچک و بزرگ جریان، از معادلات ناویر- استوکس با استفاده از تابع فیلترگیری پله فیلترگیری می شود. معادلات ناویر- استوکس فیلتر شده که بیانگر مقیاس های بزرگ جریان هستند، با استفاده از یک الگوریتم عددی حل می شوند و مقیاس های کوچک جریان مدل می گردند. گسسته سازی زمانی معادلات ناویر – استوکس فیلتر شده توسط روش رانگ – کوتای صریح چهار مرحله ای انجام می گیرد. گسسته سازی مکانی به روش حجم محدود صورت گرفته و سپس با حل انتگرال به روش ذوزنقه، تبدیل به روش های مرکزی می گردد. این روش، باعث تولید یک روش حجم محدود قوی در مش باسازمان می گردد. برای گسسته سازی مکانی معادلات، ترم های جابه جایی و ویسکوز از هم جدا می شوند. برای گسسته سازی ترم های جابه جایی و ویسکوز به ترتیب از روش های مرکزی مرتبه چهار وزنی و مرکزی مرتبه دوم استفاده می گردد. برای مدل کردن مقیاس های کوچک ، از مدل ویسکوزیته گردابه ای دینامیک استفاده می شود. بر مبنای این مدل، انرژی جنبشی جریان توسط ویسکوزیته گردابه ای در مقیاس های کوچک به گرما تلف می گردد. در این مطالعه، از یک شرط اولیه آشفته بر پایه گردابه های تانسنت با استفاده از کد کامپیوتری متلب استفاده شده است. این شرط اولیه باعث وارد شدن یک میدان آشفته در میدان جریان می گردد و جریان سریعتر آشفته گشته و حجم محاسبات کاهش می یابد. نتایج حل اولیه یعنی حل در زمان صفر مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد. شبیه سازی عددی لایه های اختلاط که میدان اصلی جریان است، توسط کد کامپیوتری فرترن در یک مکعب روی یک مش یکنواخت با سازمان انجام می گیرد. پارامترهای اساسی لایه های اختلاط نظیر ضخامت ممنتوم، انرژی جنبشی کل، ضخامت ورتیسیتی و انرژی جنبشی آشفته بررسی گشته و نتایج ضخامت بدست آمده در این شبیه سازی با نتایج گرفته شده توسط ورمان مقایسه می شود. با گذشت زمان و افزایش آشفتگی ها، ضخامت ممنتوم و ورتیسیتی افزایش و انرژی جنبشی کل کاهش و انرژی جنبشی آشفته در کل میدان گسترده می شود. سرانجام، کانتورهای سه بعدی متغیرهای اصلی جریان نظیر ورتیسیتی، سرعت، فشار، چگالی و دما در زمان های مختلف نمایش داده می شود. این کانتورها بیانگر پخش شدن آشفتگی ها و اثرات تراکم پذیری حاصل از اختلاط لایه ها در کل میدان می باشند و نشانگر خصوصیت انتشار آشفتگی در میدان است. شکل ورتیسیتی ها تولید شده در کل میدان در زمان های مختلف تغییر می کند که این از خصوصیات ذاتی لایه های اختلاط است.