تحلیل عددی برخورد کره درحال چرخش با سطح آزاد با استفاده از نرم‌افزار ansys fluent

یکی از محورهای کلیدی در مبانی اقتصاد دریاپایه، انرژی‌های تجدیدپذیر از جمله انرژی دریا می‌باشد. همچنین تحلیل برهم‌کنش جامد-سیال اجسام غوطه‌ور می‌تواند گامی اساسی جهت افزایش بهره‌وری انرژی‌های تجدیدپذیر محسوب شود. لذا در این پژوهش، به بررسی عددی هیدرودینامیک پیچیده برخورد کره چرخان با سطح آزاد در اعداد فرود پایین پرداخته می‌شود. مطابق با پیش بینی انجام گرفته، چرخش کره سبب ایجاد نیروی بالابر بر کره شده و همین نیرو نتیجتاً سبب ایجاد انحناء در مسیر حرکت کره حین پایین آمدن آن خواهد شد. برای شبیه‌سازی عددی از نرم افزار ansys fluent 2020 r2 استفاده شده و حرکت سطح آزاد سیال با استفاده از معادلات کسر حجمی سیال شبیه‌سازی عددی خواهد شد. مطابق با نتایج عددی بدست آمده، شکل سطح آزاد و حفره ایجاد شده ضمن پیشروی کره چرخان با شکل سطح آزاد و حفره ایجاد شده توسط کره بدون چرخش کاملاً متفاوت می‌باشد. همچنین در این پژوهش نیروهای بالابر و پسا بلافاصله بعد از ضربه به سطح آزاد محاسبه شده و نتایج عددی حاضر با نتایج آزمایشگاهی موجود مقایسه شده‌اند. با توجه به نتایج بدست آمده از شبیه‌سازی عددی، اثرات چرخش به نسبت عدد فرود، تاثیر کمتری بر زمان بسته شدن حفره تشکیل شده حاصل از برخورد کره با سطح آزاد دارد. همچنین در این پژوهش نیروهای بالابر و پسا برای طیف وسیعی از نرخ چرخش، سرعت برخورد، چگالی و قطر کره چرخان محاسبه شده و در یک جدول به صورت جامعی ارائه شده‌اند. با توجه به مقایسه انجام گرفته، تطابق خوبی بین نتایج عددی و آزمایشگاهی موجود مشاهده گردید.

numerical analysis of the collision of a rotating sphere with a free surface using ansys fluent software

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.