شماره مدرك :
17470
شماره راهنما :
1896 دكتري
پديد آورنده :
كريمي نيا، عاطفه
عنوان :

ارتقاء و توسعه سه بعدي روش طراحي معكوس گلوله-اسپاين به همراه طراحي آيرودينلميكي ديفيوزر S شكل سه بعدي

مقطع تحصيلي :
دكتري
گرايش تحصيلي :
تبديل انرژي
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع :
1399
صفحه شمار :
پانزده، 126، 14ص. : مصور (رنگي)، جدول، نمودار
استاد راهنما :
مهدي نيلي احمدآبادي
استاد مشاور :
فرهاد قدك
توصيفگر ها :
طراحي معكوس سه بعدي , ديفيوزر S شكل سه بعدي , الگوريتم گلوله-اسپاين , پارامتر فشار بي بعد , شبكه بندي خط جرياني , جريان ثانويه
استاد داور :
علي اشرفي زاده، محمود اشرفي زاده، احمدرضا پيشه ور
تاريخ ورود اطلاعات :
1401/02/05
كتابنامه :
كتابنامه
رشته تحصيلي :
مهندسي مكانيك
دانشكده :
مهندسي مكانيك
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1401/02/06
كد ايرانداك :
2820865
چكيده فارسي :
يكي از مسائل مهم و كاربردي در مكانيك سيالات، طراحي معكوس مجاري سيال براي جريان¬هاي داخلي مي¬باشد. در روش طراحي معكوس، توزيع يك كميت آيروديناميكي مانند فشار يا سرعت معلوم است و هدف تعيين هندسه اي است كه اين توزيع را ارضا كند. يكي از روش هاي طراحي معكوس الگوريتم گلوله-اسپاين است، كه مرز جسم توسط گلوله هاي آزاد كه در مسيرهاي معين حركت مي كنند مدل مي شود و اختلاف توزيع فشار هدف و موجود عامل جابجائي گلوله ها مي¬باشد. هدف از اين رساله توسعه سه بعدي روش گلوله اسپاين به منظور طراحي سه بعدي ديفيوزرS شكل مي باشد. توزيع فشار ديواره يك ديفيوزر S شكل متأثر از انحناي خط مركزي، پروفيل و مساحت سطح مقطع در طول كانال مي¬باشد، لذا دستيابي به جواب يكتا در طراحي معكوس سه بعدي يك ديفيوزر انحنادار چالش اصلي در اين رساله است. كارهاي قبلي طراحي معكوس ديفيوزر به صورت دو بعدي و يا شبه سه بعدي صورت گرفته است بطوريكه طراحي معكوس فقط براي خطوط بالا و پايين در صفحه تقارن انجام مي¬شود و معيار جابه¬جايي نقاط كنترلي اختلاف فشار است كه در طراحي معكوس سه بعدي به خاطر اثر مساحت بر توزيع فشار معيار مناسبي نمي¬باشد. در اين رساله، دو روش براي طراحي معكوس سه بعدي يك ديفيوزر S شكل ارائه مي¬شود كه در هر دو روش، يك حلگر سه بعدي اويلري AUSM با الگوريتم اصلاح هندسه كوپل مي¬شود. در روش اول، معيار جابجايي گلوله¬ها اختلاف فشار گيج شده است كه اصلاح انحناي كانال و اصلاح مقاطع را در دو مرحله جداگانه انجام ميدهد. در اين روش، اثر انتخاب اسپاين¬ها (شعاعي، عمودي و افقي) و شبكه بندي ديواره ديفيوزر بر همگرايي و يكتايي حل بررسي گرديد و اين نتيجه حاصل شد كه براي همگرائي به جواب يكتا لازم است از اسپاين¬هاي افقي با شبكه بندي خط جرياني استفاده شود. ارزيابي طراحي معكوس با انتخاب يك ديفيوزر مستقيم با مقاطع سوپر بيضي بعنوان حدس اوليه و همگرائي به يك ديفيوزر S شكل با مقطع بيضي بعنوان هندسه هدف صورت گرفت. سپس، با اصلاح كانتور فشار هدف روي تمامي خطوط جريان منطبق بر ديواره، بارگذاري زياد روي خطوط تقارن بالا و پائين توسط اصلاح بارگذاري خطوط جانبي ديواره جبران گرديد و هندسه متناظر توسط طراحي معكوس سه بعدي بدست آمد. عملكرد آيروديناميكي ديفيوزرS شكل اوليه و طراحي شده توسط حل معادلات ناوير استوكس متوسط گيري شده رينولدز (RANS) با مدل آشفتگي k-ω SST در آنها صورت گرفت كه بيانگر حذف جدايش، كاهش افت فشار كل و بهبود بدشكلي جريان خروجي در ديفيوزر طراحي شده در مقايسه با ديفيوزرS شكل اوليه بود. تعداد زياد اصلاح هندسه براي رسيدن به هندسه هدف در روش اول را ميتوان بعنوان عيب آن در نظر گرفت. در روش دوم، با استفاده از معادله انحناي خط جريان، يك پارامتر فشار بي بعد تعريف گرديد كه در آن اثر مساحت حذف شد و بعنوان معيار مناسبي براي جابه¬جايي نقاط كنترلي در طراحي معكوس سه بعدي در نظر گرفته شد. در اين روش، ديفيوزر سه بعدي با تعداد زيادي كانال صفحه¬اي دو بعدي جايگزين مي¬شود كه لازم است مقاطع آن به صورت عمود بر خط مركزي كانال درنظر گرفته شوند. فشار بي بعد تعريف شده در هر نقطه كنترلي تابع دو پارامتر انحناي خط مركزي و ارتفاع مقاطع (نصف فاصله ديواره بالا و پايين) مربوط به كانال صفحه¬اي دو بعدي است و در هر مرحله اصلاح هندسه به تناوب با ثابت گرفتن يكي از پارامترهاي ذكر شده، پارامتر ديگر اصلاح مي¬شود. روش پيشنهادي با همگرا شدن يك ديفيوزر مستقيم با سطح مقطع دلخواه به ديفيوزر S شكل هدف اعتبار سنجي شد. مقايسه دو روش نشان ميدهد تعداد اصلاح هندسه براي همگرائي در روش دوم بسيار كمتر از روش اول است. در نهايت، طراحي آيروديناميكي يك ديفيوزر S شكل با افزايش 20 درصدي اختلاف ارتفاع بين ورودي و خروجي كانال با اعمال روش دوم صورت گرفت. در اين طراحي با اصلاح بارگذاري فشار روي خطوط جريان ديواره، مقاطع كانال بگونه اي اصلاح شد كه با حذف جريان ثانويه و جدايش، كارايي ديفيوزر با كاهش 69 درصدي بدشكلي جريان خروجي و افزايش 30 درصدي بازيافت فشار بطور قابل توجهي بهبود يافت.
چكيده انگليسي :
The wall pressure distribution of a 3D s-shaped diffuser is affected by the centerline curvature, shape and cross-sections’ area, so achieving a unique solution for the 3D inverse design of a curved duct is a challenging problem in aerodynamic design. All the previous developments on the ball-spine algorithm were limited to 2-D and quasi-3D ducts, in which only the upper and lower lines of the symmetry plane were modified based on the target pressure distribution and the pressure difference is a criterion for the displacement of control points, which is not a suitable criterion in three-dimensional inverse design, due to the effect of area on the pressure contour. In this thesis, two methods for the 3D inverse design of an s-shaped diffuser are presented witch in both methods, a 3D Euler solver is coupled with a geometry correction algorithm. In the first method, the criterion for balls movement is the confused pressure difference, which corrects the duct curvature and the cross-sections in two separate steps. In this method, the effects of the spines (radial, vertical and horizontal) and the grid generation scheme in achieving the unique solution in inverse design were eva‎luated and the results showed that for convergence to a unique solution, it is necessary to use the horizontal spins with the streamline-based grids. The inverse design was eva‎luated by selecting a straight diffuser with semi-elliptic sections as the initial guess and converging to an s-shaped diffuser with an elliptic section as the target geometry. Then, by modifying the target pressure contour on all streamlines on the wall, the high load on the upper and lower lines of symmetry plane was compensated by modifying the load on the side lines of the wall and the corresponding geometry was obtained by 3D inverse design. The aerodynamic performance of the initial and designed s-shaped diffuser was performed by solving the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations (RANS) with the k-ω SST turbulence model, which eliminates separation, reduces total pressure drop, and improves outflow distortion in the designed diffuser. The large number of geometry corrections to achieve the target geometry can be considered as a disadvantage of this method. In the second method, using the streamline curvature equation, the dimensionless pressure parameter was defined in which the area effect is eliminated and is a suitable criterion for the displacement of control points. In this method, the 3D diffuser is replaced with several 2D planer ducts, which need to be considered perpendicular to the flow. The dimensionless pressure defined at each control point is a function of the two parameters, centerline curvature and section height (half the distance between the upper and lower lines of a 2D planer ducts). Alternately in each stage of geometry correction, one of the mentioned parameters is considered constant and the other parameter is modified. The proposed method was validated by choosing a straight duct with the desired cross section as an initial guess, witch converges to the target s-shaped duct in the least iteration. A comparison of the two methods shows that the number of geometry corrections in the second method is much less than the first method for convergence. Finally, by applying the second method, the aerodynamic design of an s-shaped diffuser was performed by increasing the height difference between the inlet and outlet of the duct by 20%. In this design, the duct cross-sections were modified by correcting the load pressure on the wall streamline, and by eliminating the secondary flow and separation, the diffuser efficiency was significantly improved by reducing the outlet flow distortion by 69% and increasing the pressure recovery by 30%.
استاد راهنما :
مهدي نيلي احمدآبادي
استاد مشاور :
فرهاد قدك
استاد داور :
علي اشرفي زاده، محمود اشرفي زاده، احمدرضا پيشه ور
لينک به اين مدرک :

بازگشت