فهرستفصل 1-فصل اول111-1- مقدمه121-2-کميتهاي مهم جريان سيال131-3-عددرینولدزواساس دینامیک سیالات151-3-1-مبانی اولیه…. 171-3-2-نیروی درگ وشبیه سازی دینامیکی201-3-3-نیروی اصطکاکی211-4-مدل کردن لایه مرزی درCFD231-4-1-گرادیان فشاروجدایش جریان وفرم درگ241-5-کاربردCFD درسیالات وتاریخچه26فصل 2-فصل دوم302-1- مقدمه312-2-تاریخچه …………………………………………………………………………322-2-1-جریان متلاطم33-حالت استانداردk-362-3-انتخاب مدل توربولانسی372-4- تئوری مدلSpalart- Allmaras372-5-حالتهای مختلف مدل تلاطمk-382-5-1-حالت استانداردk-392-5-2-مدلRNG k-402-5-3-مدل تغییریافته یk-412-6- مدل متلاطمLES432-7-تئوری مدلهای استانداردوSST،442-7-1-مدل استاندارد442-7-2-مدل انتقال تنش برشیSST 452-7-3-فرمولاسیون482-7-4-نحوه اصلاح مدلSST512-8-دلايل تمايل به شبيه سازي گردابهاي بزرگ52فصل 3-فصل سوم533-1- مقدمه543-2-مراحل کارهای انجام شده دراین پایان نامه543-2-1-مدلسازی زیردریایی درنرم افزارSolid Work553-2-2- مش زنی مدل درنرم افزارGambit583-2-3- شبیه سازی جریان درنرم افزارFluent623-2-4- تکرارمراحل فوق برای رسیدن به بهینه ترین دماغه ممکن64فصل 4-فصل چهارم664-1- نتایج وبررسی67 فهرست اشکالشکل 1. مدلکردنرفتارجریاندررینولدزهایمتفاوتدرپشتیکسیلندر19شکل 2. ضخانتلایهمرزیدردوسمتیکصفحهمثلثی22شکل 3. افزایشضخامتلایهمرزیبرروییکصفحهیتخت22شکل 4. بدنهیمدلزیردریاییبهنامSTANDARD DREAR29شکل 5. تصویرسه بعدی ازمحیط مش خورده60شکل 6. تصویردوبعدی ازدماغه جسم60شکل 7.تصویردوبعدی ازانتهای جسم61شکل 8. شرایط مرزی61شکل 9. توزیع فشار63شکل 10. توزیع سرعت63شکل 11. ترسیمی ساده ازنحوه تغییرات n64شکل 12. تمامی دماغه های مختلف راکه دراین پایان نامه مدل شده است رانشان میدهد.65شکل 13. نقطه ای فرضی که نشان دهنده ی شروع شدن جریان توربولانسی است.70شکل 14. توزیع فشاربرروی سطح جسم درحالت پایه71شکل 15. توزیع سرعت برروی سطح جسم درحالت پایه72شکل 16. تغییرات تنش برشی برروی سطح جسم درحالت پایه72شکل 17. تغییرات ضریب درگ برروی سطح جسم درحالت پایه73شکل 18. توزیع سرعت برروی جسم درحالت بهینه ضریب درگ73شکل 19. توزیع فشاراستاتیکی برروی جسم درحالت بهینه ضریب درگ74شکل 20. تغییرات تنش برشی برروی بدنه درحالت بهینه74شکل 21. تغییرات ضریب فشاربرروی جسم درحالت بهینه75شکل 22. توزیع سرعت برای حالتn=175شکل 23.توزیع ترم توربولانس جنبشی درجریانn=1/576شکل 24. توزیع ترم توربولانس جنبشی درجریانn=376شکل 25. توزیع ترم سینتیک توربولانس درجریانn=2/577شکل 26. توزیع ترم سینتیک توربولانس درجریانn=1/7577شکل 27. توزیع ترم سینتیک توربولانس درجریانn=2/12578 فهرست جداول جدول 1. وابستگی جواب به تعداد مش59جدول 2. ضرایب درگ بدست آمده از روشهای متفاوت در و . ()69جدول 3. تغییرات ضریب درگ بر اساس مقادیر مختلف n که دماغه های مختلف را ایجاد میکند.69جدول 4. مقادیر مختلف درگ برای مقادیر متفاوت n70جدول 5. مقدار ضریب درگ محاسبه شده بر روی جسم مورد نظر با استفاده از مدلهای توربولانسی متفاوت در عدد رینولدز 71 نمادهاCDضریب درگCp ضریب فشارD قطر جسمDf درگ اصطکاکی پوستهDpدرگ فشاریDωترم پخشF نیروهایی که به بدنه وارد میشوندتولید انرژی سینتیک توربولانسی به سبب گرادیان سرعت متوسطهترم تولیدK انرژی جنبشیL طول جسمpفشار استاتیکیp∞ فشار جریان آزادRe عدد رینولدزفاصله از محور سطح جسمترم منبعترم منبع تعریف شده توسط کاربرسرعت اصطکاکیسرعت جریان آزادسرعتهای شعاعی و محوریxمختصات محوری و شعاعیپراکندگی ترمهای توربولانسیK و ترم بی بعد شده برای فاصله از بده جسمεترم اتلافωترم پراکندگی ویژهνویسکوزیته سینماتیکیГk ضریب پخش موثرKГω ضریب پخش موثرضخامت جا به جاییسرعت بدون بعدسرعت متوسطهفرکانس ریزش گردابهQفشار دینامیکی چکیده یکی از راههای کاهش مصرف انرژی برای وسایل زیر آبی، کاهش درگ وارده بر این وسایل است. دماغه اجسام زیر آبی یکی از مهمترین قسمتهای این اجسام در برخورد با شارهها است. با بهینه سازی این قسمت میتوان درگ را از طریق کنترل بر لایه مرزی سیال، با کاهش آشفتگی جریان و حتی جلوگیری از تشکیل جریان توربولانسی در لایه مرزی، کاهش داد. در این پایان نامه برای رسیدن به بهترین دماغه ممکن سعی بر آن شده از فرمولی ریاضی استفاده شود، تا تمامی منحنیهای ممکن را پوشش دهد و از بین این منحنیها بهترین منحنی انتخاب شود که دارای کمترین درگ است. سپس درگ بدست آمده از حالت بهینه با مدلی که از آزمایشگاه در دست است، مقایسه کرده و به نتایج جالبی در این زمینه میرسیم. در این بررسی شبیه سازی بر پایهی علم مکانیک سیالات محاسباتی برای مدلی با زاویه صفر درجه در که دارای سرعت است، انجام شده است. برای شبیه سازی جریان توربولانسی از مدل توربولانسی SST K-ω استفاده شده است. که در پایان مقایسهای نیز با مدلهای مختلف توربولانسی انجام گرفته و مقدار درگ بدست آمده با هم مقایسه شده است. لازم بذکر است که در این بهینه سازی تاثیرات پرهها که در قسمت دم این وسایل وجود دارند و برای ایجاد نیروی رانش هستند، دیده نشده است. کلمات کلیدی: اجسام متقارن، مدل توربولانس، ضریب درگ، دینامیک سیالات محاسباتی فصل 1- فصل اول مقدمه 1-1- مقدمهجريان سيال نقش مهمي در صنايع پيرامون ما همچون توربوماشينها، سيستمهاي هيدروديناميکي ، صنايع هوا و فضا، صنايع نفت و گاز و بسياري موارد ديگر ايفا مي کند. از آن جا که در اکثر صنايع و سيستمها، رژيم جريان به صورت آشفته است، بنابراين اين نوع جريان از اهميت فوق العاده اي برخوردار مي باشد. دليل اهميت آن اين است که جريان آشفته نقش مهمي در انتقال اندازه حرکت ( ممنتوم)، انتقال حرارت و جرم، تلفات انرژي و اصطکاک در سيستمهاي سيالات دارد. بنابراين به منظور طراحي بهينه و مطلوب سيستمهاي سيالات در صنايع مختلف ، نياز است تا جريان هاي آشفته را شناخته و کميتهاي آن را مشخص نمود. تعيين اين کميتها توسط روشهاي عددي و تجربي انجام مي پذيرد.در روشهاي عددي با استفاده از شبيه سازي و حل معادله هاي حاکم بر جريان سيال نظير معادله هاي پيوستگي، اندازه حرکت و انرژي ، کميتهاي جريان را در شرايط مختلف به دست آورده و با توجه به نتايج به دست آمده، سيستمهاي مورد نظر طراحي ويا بهينه مي شوند . در روشهاي تجربي با استفاده از تجهيزاتي نظير تونل باد، تونل آب و ... مدل را در شرايط آزمايش قرار داده و با استفاده از دستگاه هاي اندازه گيري ، کميتهاي مختلف جريان سيال اندازه گيري شده در نتيجه مي توان پديده هاي فيزيکي را درک و سيستمهاي سيالاتي را طراحي و بهينه نمود. دو روش فوق داراي مزايا و معايب مربوط به خود مي باشند که پژوهشگران و طراحان بايد از مزاياي اين دو روش به نحو مطلوبي استفاده نمايند .در روشهاي تجربي نياز به مدل، تجهيزات آزمايش و دستگاه هاي اندازه گيري است و معمولاً پرهزينه ترازروشهاي عددي است. با توجه به مشکلات اندازه گيري برخي از کميتهاي جريان سيال و يا جريانهاي ناپايا در زمانهاي بسيار کوتاه، نظير بررسي جريان اطراف يک جسم آيروديناميکي از لحظه صفر تا زمان شکل گيري لايه مرزي، استفاده از روشهاي تجربي بسيار پيچيده و مشکل است. در روشهاي عددي، معادله هاي حاکم بر جريان سيال از روشهاي مختلف حل مي شوند. در اين روشها با توجه به ساده سازي معادلههاي حاکم بر جريان سيال، خطاي ناشي از مدل آشفتگي و يا تأثير شرايط مرزي، امکان خطا درنتايج به دست آمده وجود دارد، که بهتر است صحت نتايج حاصله با نتايج حاصل از روشهاي تجربي مقايسه و کدهاي نوشته شده را اصلاح نمود. در حال حاضر با توجه به هزينه هاي پژوهش بهتر است ازدو روش عددي و تجربي به طور مکمل، استفاده نمود[1].براي بررسي جريان سيال و نحوه تأثير آن بر محيط و کنترل رفتار آن، نياز به اندازه گيري کميتهاي جريان سيال است. براي مثال در مهندسي سازه براي تعيين نحوه بارگذاري حاصل از نيروي باد و يا شناخت جريان هوا در اطراف سازه هايي نظير ساختمانها، پلها استاديومها و.. نياز به مشخص نمودن توزيع فشار، توزيع سرعت، طيف اغتشاشهاي جريان هوا و ضخامت لايه مرزي جريان هوا است. براي بررسي و اندازه گيري اين کميتها نياز به انجام آزمايش است، بدين ترتيب که مدل کوچکي از سازه مورد نظر را ساخته و با استفاده از تونل باد، رفتار جريان هوا در اطراف مدل بررسي مي شود. آنچه که در اين روش حائز اهميت است. قرار گرفتن مدل درداخل لايه مرزي و ايجاد تشابه هندسي و ديناميکي ميان جريان هواي درون تونل باد و جريان اتمسفري مي باشد. اين امر توسط پارامترهايي نظير عدد رينولدز، نحوه توزيع سرعت در اطراف مدل و اندازه گيري طيف اغتشاشهاي جريان هوا انجام مي شود. به منظور بررسي رفتار ارتعاشي سازه ها اندازه گيري نوع فرکانس اغتشاشهاي جريان هوا بسيار حائز اهميت است . بنابراين مشاهده مي شود که اندازه گيري دقيق کميتهاي جريان هوا در اطراف مدل بسيار پر اهميت بوده و هر گونه اشتباه و خطايي در مقادير اندازه گيري شده مي تواند باعث اشتباه در طراحي شود.يکي از کميت هاي مهم جريان سيال، سرعت لحظه اي جريان سيال است. سرعت لحظه اي جريان سيال را مي توان به شکل برداري نشان داد که داراي مولفه هاي W(t),V(t),U(t) به ترتيب در راستاي مختصات دکارتي است. سرعت لحظه اي دريک نقطه را مي توان به صورت مجموع سرعت متوسط و اغتشاشهاي سرعت نشان داد:معادله 1. معادلات سرعتاندازه گيري مؤلفه هاي اغتشاشی و تغييرات آنها در حوزه زمان و يا فرکانس، در شناخت جريان سيال و کنترل آن از اهميت ويژه اي برخودار است. فرکانس اغتشاشهاي سرعت جريان سيال، از چند هرتز در جريان آرام تا چندين کيلوهرتز در جريان آشفته تغيير کرده و به عدد رينولدز بستگي دارد. همچنين اثر متقابل u,v بر روي يکديگر نيز بسيار حائز اهميت است.