جریان مافوق صوت غیرویسکوز حول هواپیما، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

شرح پروژه (جریان غیرویسکوز)

هدف از مسأله حاضر، شبیه سازی عددی یک جریان مافوق صوت (supersonic) بر فراز هواپیما F-16 با در نظر گرفتن جریان غیرویسکوز (inviscid) با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) است.

سرعت مافوق صوت معادل سرعت جسمی است که از سرعت صوت فراتر رفته باشد. تخمین زده می‌شود که سرعت در هوای خشک در دمای 20 درجه سانتی‌گراد حدود 343 متربرثانیه باشد. در این شبیه سازی، هواپیمای F-16 سرعت 400 متربرثانیه را تجربه می‌کند. بنابراین عدد ماخ (Mach) معادل 1.16 است و سیال کاری به عنوان سیال غیرویسکوز فرض می‌شود که هیچ تنش برشی وجود نخواهد داشت.

هندسه سه بعدی مدل حاضر با استفاده از نرم افزار دیزاین مدلر (Design modeler) طراحی شد. یک مدل هواپیمای F-16 جود دارد که در وسط یک دامنه محاسباتی قرار می‌گیرد.

سپس شبکه بندی مدل با استفاده از نرم افزار انسیس مشینگ (ANSYS Meshimg) انجام شد. مش بندی از نوع بدون سازمان (unstructured) بوده و تعداد 979273 سلول تولید شد.

روش‌های استفاده شده

در این شبیه سازی، باید جریان غیرویسکوز تعریف شود. پس باید از گزینه غیروسکوز (inviscid) استفاده شود. همچنین معادله انرژی (energy equation) نیز فعال شده تا انتقال حرارت نیز بررسی شود.

اگرچه هوا در بیشتر موارد یک سیال تراکم ناپذیر (incompressible) در نظر گرفته می‌شود؛ اما زمانی که سرعت سیال افزایش می‌یابد، باید تراکم پذیری را فرض کرد. این فرض با یک عامل بی‌بعد به نام عدد ماخ مشخص می‌شود که نشان دهنده سرعت سیال نسبت به سرعت صوت در یک شرایط مشخص است.

در این شبیه سازی، سرعت ورودی 400 متربرثانیه است؛ بنابراین عدد ماخ 1.16 است و می‌توان آن را به عنوان جریان مافوق صوت حساب کرد. به جای استفاده از حلگر مبتنی بر چگالی (density-based) و مسائل همگرایی آن، از یک حلگر مبتنی بر فشار (preesure-based) همراه با رفتار گاز ایده‌آل سیال استفاده شد.

نتایج

پس از پایان فرایند حل، کانتورهای (contour) شبیه سازی به وضوح توزیع متقارن فشار و میدان سرعت را در اطراف هواپیما نشان می‌دهد. فشار به بالاترین مقدار خود در زیر بالها می‌رسد و این گرادیان فشار باعث وارد شدن نیروی لیفت یا برا (lift) روی هواپیما می‌شود.

علاوه براین، یک رابطه قوی بین فشار، چگالی و دما وجود دارد. توجه داشته باشید که سیال به صورت غیرویسکوز فرض می‌شود و درنتیجه، معادله حاکم ناویر-استوکس (Navier-stokes) به معادله برنولی (Bernoulli) ساده می‌شود.