تحليل عددي برخورد كره درحال چرخش با سطح آزاد با استفاده از نرم‌افزار ANSYS FLUENT

Numerical analysis of the collision of a rotating sphere with a free surface using ANSYS FLUENT software

يكي از محورهاي كليدي در مباني اقتصاد درياپايه، انرژي‌هاي تجديدپذير از جمله انرژي دريا مي‌باشد. همچنين تحليل برهم‌كنش جامد-سيال اجسام غوطه‌ور مي‌تواند گامي اساسي جهت افزايش بهره‌وري انرژي‌هاي تجديدپذير محسوب شود. لذا در اين پژوهش، به بررسي عددي هيدروديناميك پيچيده برخورد كره چرخان با سطح آزاد در اعداد فرود پايين پرداخته مي‌شود. مطابق با پيش بيني انجام گرفته، چرخش كره سبب ايجاد نيروي بالابر بر كره شده و همين نيرو نتيجتاً سبب ايجاد انحناء در مسير حركت كره حين پايين آمدن آن خواهد شد. براي شبيه‌سازي عددي از نرم افزار ANSYS FLUENT 2020 R2 استفاده شده و حركت سطح آزاد سيال با استفاده از معادلات كسر حجمي سيال شبيه‌سازي عددي خواهد شد. مطابق با نتايج عددي بدست آمده، شكل سطح آزاد و حفره ايجاد شده ضمن پيشروي كره چرخان با شكل سطح آزاد و حفره ايجاد شده توسط كره بدون چرخش كاملاً متفاوت مي‌باشد. همچنين در اين پژوهش نيروهاي بالابر و پسا بلافاصله بعد از ضربه به سطح آزاد محاسبه شده و نتايج عددي حاضر با نتايج آزمايشگاهي موجود مقايسه شده‌اند. با توجه به نتايج بدست آمده از شبيه‌سازي عددي، اثرات چرخش به نسبت عدد فرود، تأثير كمتري بر زمان بسته شدن حفره تشكيل شده حاصل از برخورد كره با سطح آزاد دارد. همچنين در اين پژوهش نيروهاي بالابر و پسا براي طيف وسيعي از نرخ چرخش، سرعت برخورد، چگالي و قطر كره چرخان محاسبه شده و در يك جدول به صورت جامعي ارائه شده‌اند. با توجه به مقايسه انجام گرفته، تطابق خوبي بين نتايج عددي و آزمايشگاهي موجود مشاهده گرديد.

One of the key axes in the foundations of sea-based economy is renewable energy, including sea energy. Also, the analysis of solid-fluid interaction of submerged bodies can be considered a fundamental step to increase the efficiency of renewable energies. Therefore, in this research, the numerical investigation of the complex hydrodynamics of the collision of a rotating sphere with the free surface at low Froude numbers is discussed. According to the obtained results, the rotation of the sphere causes a lifting force on the sphere, and this force will cause a curve in the path of the sphere during its descent. ANSYS FLUENT 2020 R2 software is used for numerical simulation and the movement of the free surface of the fluid will be numerically simulated using Volume of Fluid equations. According to the obtained numerical results, the shape of the free surface and the cavity created while advancing the rotating sphere is completely different from the shape of the free surface and cavity created by the non-rotating sphere. Also, in this research, the lift and drag forces were calculated immediately after hitting the free surface and the present numerical results were compared with the existing laboratory results. According to the results obtained from the numerical simulation, the effects of rotation in proportion to the Froude number have less effect on the closing time of the cavity formed by the collision of the sphere with the free surface. Also, in this research, the lift and drag forces for a wide range of rotation rate, impact speed, density and diameter of the rotating sphere were calculated and presented comprehensively in a table. According to the comparison, a good agreement between the available numerical and laboratory results was observed.