بهینه‌سازی توپولوژی هندسه یک کانال دارای سه خروجی با دبی‌های مشخص در خروجی‌ها

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، مهندسی مکانیک، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد

2 استادیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه پیام‌نور، تهران

3 دانشیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد

4 استاد، مهندسی مکانیک، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد

چکیده

در مقاله حاضر، هندسه بهینه یک کانال چندراهی دوبعدی با یک ورودی و سه خروجی در عدد رینولدز 10 Re=مورد ارزیابی قرار گرفته است. در این ارزیابی، بهینه‌سازی توپولوژی بر اساس روش تخلخل و به کمک شبیه‌سازی شبکه بولتزمن صورت گرفته و درنهایت طرح بهینه با استفاده از آنالیز حساسیت یک تابع هدف ارائه شده است. برخلاف تحقیقات پیشین به جای ثابت نگاه داشتن عرض مجرا در خروجی‌ها، سرعت متوسط در این مقاطع یکسان در نظر گرفته شده است درحالیکه مقایسه نتایج نشان می‌دهد مقدار اتلافات انرژی در طرح‌ بهینه چندراهی به میزان 04/26 درصد کاهش خواهد یافت که این خود موید مزیت تغییر در عرض مجرا در مقایسه با تغییر در سرعت متوسط جریان است. در این حالت، شرایط هندسه مجرای ورودی شامل عرض و موقعیت مجرا نقش به سزایی در طرح نهایی خواهد داشت که پرداختن به آن هدف اصلی این تحقیق به شمار می‌رود. نتایج عددی حاکی از آن است که با فرض تغییرات خطی عرض مجرا در خروجی‌ها، کمترین افت توان جریان زمانی حاصل خواهد شد که عرض ورودی برابر با بزرگترین خروجی باشد. قراردادن ورودی در مقابل عریض‌ترین خروجی، هندسی نهایی را هموارتر از سایر حالات خواهد کرد اما این حالت از نظر اتلافات کاملاً بهینه نیست. برای رسیدن به کمترین اتلافات انرژی، ورودی جریان می بایست هم‌راستا با فضای میانی دو خروجی با عرض‌های متوسط و بزرگ قرار گیرد. در این حالت اتلافات به میزان 18/23% کمتر از حالتی است که ورودی در مقابل باریک‌ترین مجرا قرار گرفته باشد.

کلیدواژه‌ها


[1] Enoksson O (2000) Shape optimization in compressible inviscid flow. Licentiate thesis LiU-TEK-LIC-2000:31, Department of Mathematics, Linkopings Universitet.
[2] Kim DW, Kim MU (1995) Minimum drag shape in two-dimensional viscous flow. Int J Numer Meth Fl 21(2): 93-111.
[3] Pironneau O (1973) On optimum profiles in Stokes flow. Int J Eng Fluid Mech 59: 117-128.
[4] Pironneau O (1974) On optimum design in fluid mechanics. Int J Eng Fluid Mech 64: 97-110.
[5] Glowinski R, Pironneau O (1975) On the numerical computation of the minimum-drag profile in laminar flow. J Fluid Mech 72: 385-389.
[6] Çabuk H, Modi V (1992) Optimum plane diffusers in laminar flow. J FLUID MECH 237: 373-393.
[7] Jameson A (1988) Aerodynamic design via control theory. J Sci Comput 3: 233-260.
[8] Ivorra B, Hertzog DE, Mohammadi B, Santiago JG (2005) Semi-deterministic and genetic algorithms for global optimization of microfluidic protein-folding devices. Int J Numer Meth Eng 66(2): 319-333.
[9] Molho JI, Herr AE, Mosier BP, Santiago JG, Kenny TW, Brennen RA, Gordon GB, Mohammadi B (2001) Optimization of turn geometries for microchip electrophoresis. Anal Chem 73: 1350-1360.
[10] Mohammadi B, Pironneau O (2001) Applied shape optimization for fluids. Numer Math Sci Comput. Oxford University Press, New York.
[11] Mohammadi B, Pironneau O (2004) Shape optimization in fluid mecha-nics. Annu Rev Fluid Mech 36: 255-279.
[12] Borrvall T, Petersson J (2003) Topology optimization of fluids in stokes flow. Int J Numer Meth Fl 41: 77-107.
[13] Yonekura K, Kanno Y (2015) A flow topology optimization method for steady state flow using transient information of flow field solved by lattice Boltzmann method. Struct Multidiscip Optim 51: 159-172.
[14] Yonekura K, Kanno Y (2016) Erratum to: A flow topology optimization method for steady state flow using transient information of flow field solved by lattice Boltzmann method. Struct Multidiscip Optim 54: 193-195.
[15] Gersborg-Hansen A, Sigmund O, Haber RB (2005) Topology optimization of channel flow problems. Struct Multidiscip Optim 30: 92-181.
[16] Othmer C (2006) CFD topology and shape optimization with adjoint methods. VDI Fahrzeug-und Verkehrstechnik, 13. International congress, Berechnung und Simulation im Fahrzeugbau, Würzburg.
[17] Othmer C, de Villiers E, Weller HG (2007) Implementation of a continuous adjoint for topology optimization of ducted flows.18th AIAA Computational Fluid Dynamics Conference. Miami, FL: AIAA.
[18] Pingen G, Evgrafov A, Maute K (2007) Topology optimization of flow domains using the lattice Boltzmann method. Struct Multidiscip Optim 34: 507-524.
[19] Pingen G, Evgrafov A, Maute K (2009) Adjoint parameter sensitivity analysis for the hydrodynamic lattice Boltzmann method with applications to design optimization. Comput Fluids 38: 910-923.
[20] Pingen G, Maute K (2010) Optimal design for non-Newtonian flows using a topology optimization approach. Comput Math Appl 59: 2340-2350.
[21] Succi S (2001) The lattice Boltzmann equation: for fluid dynamics and Beyond. Oxford University Press.
[22] Mattila K, Hyväluoma J, Timonen J, Rossi T (2008) Comparison of implementations of the lattice-Boltzmann method. Comput Math Appl 55: 1514-1524.
[23] Succi S, Foti E, Higuera F (1989) Three-dimensional flows in complex geometries with the lattice Boltzmann method. Europhysics Letters 10: 433-438.
[24] Langass K, Grubert D, Pet J (1999) Lattice Boltzmann simulations of wetting and its application to disproportionate permeability reducing gel. J Petrol Sci Eng 24: 199-211.
[25] Bernsdorf J, Bernner G, Durst F (2000) Numerical analysis of the pressure drop in porous media flow with lattice Boltzmann (BGK) automata. Comput Phys Commun 129: 247-255.
[26] Kim J, Lee J, Lee KC (2001) Nonlinear correction to Darcy's law for a flow through periodic arrays of elliptic cylinders. Physica A 293: 13-20.
[27] Dabirpour V, Mohammadipour O (2019) Numerical investigation of convection around heated circular cylinder wrapped with Bi-Disperse porous medium in channel. Modares Mechanical Engineering 19 (3): 539-548.
[28] Zhou T, Liu T, Deng Y, Chen L, Qian S, Liu Z  (2017) Design of microfluidic channel networks with specified output flow rates using the CFD based optimization method. Microfluid Nanofluidics 21: 1-8.
[29] Bejan A, Zane JP (2012) Design in nature:      How the constructal law governs equation in Biology, Physics, Technology, and Social Organization.
[30] Allaire G (1990) Homogenization of the       Navier-Stokes equations in open sets perforated with tiny holes. I. Abstract framework, a volume distribution of holes. Arch Ration Mech Anal 113: 209-259.
[31] Brinkmann HC (1947) A calculation of the viscous force exerted by a flowing fluid on a dense swarm of particles. Appl Sci Res 1: 1-27.
[32] Bhatnagar PL, Gross EP, Krook M (1954) A Model for collision processes in gases. I.          Small Amplitude Processes in Charged and   Neutral One-Component Systems. Phys Rev 94: 511-525.
[33] He X, Luo L-S (1997) Theory of the lattice Boltzmann method: From the Boltzmann equation to the lattice Boltzmann equation. Phys Rev E 56(6): 6811-6817.
[34] Guo Z, Zhao TS (2002) Lattice Boltzmann model for incompressible flows through porous media. Phys Rev 66: 036-304.
[35] Mohammadipour OR, Succi S, Niazmand H (2018) General curved boundary treatment for two- and three-dimensional stationary and moving walls in flow and nonflow lattice Boltzmann simulations. Phys Rev E 98(2): 233041-16.
[36] Chen S, Doolen GD (1998) Lattice Boltzmann method for fluid flows. Annu Rev Fluid Mech 30: 329-364.
[37] Mohamad AA (2011) Lattice Boltzmann method: Fundamentals and Engineering Applications with Computer Codes. Springer Science & Business Media 72-80.