ในชีวิตประจำวันเรามักจะเห็นการไหลของน้ำตก การไหลของแม่น้ำตามลำคลอง การเคลื่อนที่ของเรือผ่านน้ำทำให้เกิดความปั่นป่วนของน้ำท้ายเรือ การพ่นน้ำของเมอไลอ้อนทำให้เกิดละอองน้ำกระจายไปทั่ว หรือการเคลื่อนที่ของก้อนเมฆที่ดูปั่นป่วนไปมา ดูไม่เป็นเนื้อเดียวกันหรือ ความปั่นป่วนที่เกิดขึ้นในน้ำหรืออากาศหรือของไหลต่าง ๆ เหล่านี้นั้น สามารถอธิบายได้ด้วยสิ่งที่เรียกว่า Turbulence หลายคนที่นั่งเครื่องบินบ่อย ๆ ต้องเจอกับสิ่งที่นักบินประกาศอย่างน้อยสักครั้งคือ ขณะนี้เรากำลังบินผ่านสภาพอากาศปั่นป่วนขอให้นั่งอยู่กับที่และรัดเข็มขัดหรือที่เรียกว่าตกหลุมอากาศ จากนั้นเราก็จะรู้สึกว่าเครื่องบินมันสั่นไปมาแรงบ้างเบาบ้าง แต่สิ่งที่แรงคือหัวใจที่กำลังเต้น ผมได้เผชิญกับการตกหลุมอากาศใหญ่ ๆมาสองครั้ง ความรู้สึกก็เหมือนกับการนั่งรถไฟเหาะและทิ้งดิ่งลงมา (ยอมรับว่ายิ่งเรียนรู้ยิ่งคิดเยอะครับ) ซึ่งสิ่งนี้เกิดการความหนาแน่นของอากาศที่ในแต่ละบริเวณที่มันไม่เท่ากันเนื่องจาก Turbulence นี้ ซึ่งจะเป็นการดีมากถ้าเราสามารถเรียนรู้และรู้เท่าทัน Turbulence นี้เราก็จะสามารถที่จะออกแบบเครื่องบิน หรือผลิตภัณฑ์อื่นๆได้และคนใช้งานก็จะรู้สึกปลอดภัยต่อการใช้ผลิตภัณฑ์นั้น
ในทางพลศาสตร์ของไหลนั้นการทำนายพฤติกรรม Turbulence นี้มีหลายทฤษฎีให้สามารถเลือกใช้ได้ เช่น Spalart-Allmaras , Smagorinsky, RANS, K-epsilon, K-Omega และอื่น ๆ อีกมากมายซึ่งเราจำเป็นต้องทำความเข้าใจว่าแต่ละทฤษฎีนั้นมีข้อจำกัดการใช้อย่างไร ใน SOLIDWORKS Simulation นั้นก็มี Turbulence ให้เลือกใช้เหมือนกันในการวิเคราะห์การไหล หลายท่านอาจจะไม่ได้สังเกตว่ามี Turbulence ให้เลือกใช้อยู่สองแบบคือ Turbulence intensity and length และ Turbulence energy and dissipation ดังแสดงในรูป
Turbulent Intensity and Length นั้นแบ่งเป็นสองส่วนคือ Intensity และ Length สำหรับ Intensity นั้นเป็นอัตราส่วนระหว่างความเร็วของอากาศที่ปั่นป่วนเมื่อเทียบกับค่าความเร็วค่าเฉลี่ย (Fluctuating Velocity / Mean Velocity) ซึ่งแสดงออกมาเป็นเปอร์เซ็นต์ที่หมายความว่าที่เปอร์เซนต์น้อย (<1%) นั้นจะมีการปั่นป่วนที่น้อย และที่เปอร์เซนต์มากๆ(>5%) จะมีความปั่นป่วนค่อนข้างมาก ส่วน Length นั้นจะเป็นขนาดของการปั่นป่วนซ฿่งมักจะกำหนดเป็นจำนวนเท่าของขนาดของปัญหานั้นๆ เช่นการไหลในท่อก็จะมีค่าประมาณ 4% ของขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางท่อเป็นต้น
Turbulent energy and dissipation นั้นจะเป็นความสัมพันธ์พลังงานจลน์ของการปั่นป่วนที่ค่อยๆถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อน ซึ่งลองสังเกตได้เมื่อน้ำเกิดการปั่นป่วน จะเกิดรูปร่างที่หมุนวนคล้ายวงกลมขนาดใหญ่ขึ้น หลังจากนั้นการหมุนวนขนาดใหญ่นี้จะค่อยๆแตกตัวกลายเป็นวงขนาดที่เล็กลงหลายวงและค่อยๆหายไป ซึ่งส่วนใหญ่แล้วเรามักจะรู้จักกันในชื่อว่า k-epsilon (K = Kinetic Energy / Epsilon = Energy dissipation) ผมไม่ขอลงในสมการเพราะต้องอธิบายกันยาว เราลองมาดูตัวอย่างกันเลยครับ ว่าแต่ละตัวมีผลอย่างไรต่อรูปแบบการไหลที่เกิดขึ้น
ผมได้ลองปรับเปลี่ยนค่าตัวแปรของ Turbulent ในแต่ละตัวดูโดยกำหนดให้เป็นค่าสูงและต่ำเพื่อให้เห็นความแตกต่าง ผลที่เห็นได้ชัดคือ รูปแบบการไหลที่แตกต่างกัน มีแบบที่เกิด Karman Vortex และแบบไม่มี หากกำหนดค่า I และ L น้อยๆจะเกิด Karman Vortex ให้เห็น และหากกำหนดค่า I และ L มากๆแล้วจะไม่มี Karman Vortex ให้เห็น ส่วนของ E และ D นั้น หากกำหนดให้มีค่าน้อยๆ จะเกิด Karman vortex ให้เห็น หากมีค่า มากๆแล้วจะไม่เห็น Karman Vortex
เมื่อแสดงเป็นลูกศร Flow Trajectory แล้วจะเห็นได้ชัดเจนขึ้นถึงความแตกต่างของการไหลที่เกิดขึ้นจากการกำหนดค่า Turbulence ที่แตกต่างกัน
รูปแสดง D=1e-5 และ E=1e-5
รูปแสดง D=1 และ E=1
สุดท้ายแล้วเราไม่สามารถบอกได้โดยตรงว่ารูปแบบไหนที่ถูกต้อง เราสามารถบอกได้ว่ามันควรจะมีลักษณะอย่างไรเท่านั้น และเราต้องมาตรวจสอบกับผลการทดลองอีกทีครับ แต่อย่างไรก็ตามหากท่านมีข้อสงสัยประการใดหรือยากให้ช่วยในการทำการจำลองการไหลนี้ทางเรามีความยินดีที่จะให้บริการทางเทคนิคในเชิงลึกมากขึ้นครับ ติดต่อมาได้ทุกเวลาครับ
บทความโดย แอดโจ๊ก
———————————————————————
ติดต่อเราได้ที่
โทร 02-089-4145 (จ-ศ 8.30 – 17.00 น.)
ติดต่อได้ทุกเวลาโทร 097-158-8174
LINE@ คลิก https://bit.ly/2yrNF24
เว็บไซต์ https://metrosystems-des.com/
YouTube https://www.youtube.com/user/MetroSolidWorks
Facebook Fanpage https://www.facebook.com/metrosolidworks/
Inbox มาเลยก็ได้น้า
รัก SOLIDWORKS สุด ๆ คลิกเลย https://www.facebook.com/groups/2076765539017446/