حل میدان‌های جریان‌های همراه با انتقال حرارت با استفاده از نرم‌افزارهای CFD

Flow With Heat Transfer Simulation in CFD Softwares

جریان‌های همراه با انتقال حرارت یکی از موارد معمول در مکانیک سیالت است. حرارت (گرما) نوعی انرژی است که به علت اختلاف دما بین دو سیستم، از یکی به دیگری منتقل می‌شود. به عبارت دیگر انتقال حرارت تنها به خاطر اختلاف دما صورت می پذیرد. این انتقال همواره از جسم با دمای بیشتر به جسم با دمای کمتر بوده و هرگز در جهت عکس صورت نمی گیرد.

روش های انتقال حرارت:

انتقال حرارت به روشهای هدایت یا رسانش (Conduction)، جابجایی یا همرفت (Convection) و تابش یا تشعشع(Radiation) و یا ترکیبی از آنها انجام می شود. انتقال حرارت هدایت همانند انتقال گرما از سر گرم میله آهنی به سر دیگر آن، جابجایی مانند گرم شدن یک اتاق توسط رادیاتور در زمستان، تابش مانند گرم شدن غذا در ماکروفر و ترکیبی همانند انتقال گرما در داخل کوره‌ها می‌باشد. در نرم افزارهای دینامیک سیالات محاسباتی هر سه این روش‌ها و حالت ترکیبی آنها قابل شبیه‌سازی است. کافیست فیزیک مسئله و تنظمیات آن به درستی انجام شود!

انتقال حرارت به روش هدایت (Conduction)

انتقال گرما در جامدات بصورت هدایت انجام می شود. در کوره‌های هوای گرم و در دیگ‌ها، گرمای شعله از طریق بدنه‌ی فولادی یا چدنی اتاقگ احتراق به سیال طرف دیگر که هوا یا آب است انتقال می یابد. وقتی جسم گرم می شود میانگین سرعت مولکول هایش به سرعت افزایش می یابد. مولکول های با انرژی بالا به مولکول‌های نزدیک برخورد نموده آن‌ها را نیز به حرکت وا می دارند. بدین ترتیب انرژی گرمایی در اجسام جامد انتقال می یابد. به دلیل اختلاف در ساختمان مولکولی، هدایت در جامدات بیشتر از مایعات و در مایعات بیشتر از گازهاست. چون انتقال حرارت گرما به روش هدایت با تماس مستقیم مولکول ها انجام می شود و فاصله مولکول‌های گازها از هم زیاد است انتقال حرارت به روش هدایت در گازها بسیار کم است.

نرم افزارهای تجاری CFD نظیر Ansys Fluent با حل معادله انرژی در محیطهای پیوسته عملا توانایی شبیه سازی انتقال حرارت در جامدات تنها (بدون حضور سیال) را دارا هستند.

انتقال حرارت به روش جابه جایی (Convection)

در سیالات انتقال حرارت هدایتی به هیچ عنوان قابل توجه نیست بلکه گرما در آنها به روش جابجایی صورت می گیرد. نکته مهم در انتقال حرارت جابجایی، انتقال حرارت از یک سیال به یک سیال دیگر یا جسم جامد است. مهمترین نوع انتقال حرارت جابجایی را می توان در خنک کاری توربینهای گاز، تأسیسات گرمایشی و سرمایشی، احتراق، جریان‌های مافوق و ماورا صوت، خنک کاری قلب راکتورهای اتمی و بسیاری موارد دیگر مشاهده نمود. در دینامیک سیالات محاسباتی تخمین لایه مرزی حرارتی اهمیت بسیار زیادی در شبیه سازی انتقال حرارت بویژه در بحث خنک کاری دارد. همچنین ذکر این نکته ضروریست که جریان‌های تراکم پذیر به دلیل تغییر چگالی و آنتالپی بطور ذاتی دارای انتقال حرارت جابجایی هستند.

انتقال حرارت به روش تابشی (Radiation)

انتقال گرما به روش تابش به صورت حرکت موجی نظیر امواج نور است و بدون دخالت ماده واسطه از جسمی به جسمی دیگر منتقل می شود. تقریبا کل انرژی گرمایی کره زمین به روش تابش از خورشید تامین می گردد. امواج گرمایی بر اساس دمای جسم منتشر کننده موج، ممکن است قابل رویت یا نامرئی باشند مثلا اگر فلزی به اندازه کافی گرم شود سرخ شده و امواج گرمایی قابل رویت (طیف نوری) منتشر می کند. هنگامی که امواج تابشی مرئی و نامرئی به جسم برخورد نمایند سه بخش می شوند بخشی از جسم عبور می کند. بخشی منعکس می شود و قسمت دیگر جذب آن می گردد. بخشی از امواج تابشی که جذب جسم می شوند باعث بالا رفتن دمای آن جسم می گردد.

اجسام با رنگ روشن و سطح براق مثل آینه بخش عمده انرژی تابشی را منعکس می کنند در حالی که مواد با سطح تیره و زبر بیشتر انرژی تابشی را جذب می کنند.جسم جذب کننده کامل را جسم سیاه می گویند. اجسام شفاف مانند شیشه و هوا بیشتر امواج تابشی را از خود عبور می دهند. مقدار تابش به دمای منبع و به نوع سطح بستگی دارد. سطوح سیاه و ناصاف تابش کننده و جذب کننده خوبی هستند ولی سطوح براق، صاف و روشن تابش کننده و جذب کننده ضعیفی هستند چون بیشتر انرژی تابشی را منعکس می کنند.

نرم افزارهای CFD و شبیه سازی میدان‌های جریان همراه با انتقال حرارت

هر دو نرم افزار Ansys Fluent و Ansys CFX توانایی شبیه سازی هر سه حالت انتقال حرارت بصورت تکی و ترکیبی را دارند. گزینه‌های متنوع موجود برای معادلات حاکم، شرایط مرزی و مدل‌های انتقال حرارت تابشی در نرم افزارهای‌ Fluent و CFX این اطمینان خاطر را به کاربران می‌دهد تا با خیالی آسوده انواع حالت‌های انتقال حرارت را همراه با شرایط مرزی متعدد شبیه سازی کنند.

نرم افزار Fluent

در نرم افزار Fluent قبل از انجام هر کاری برای شبیه سازی جریان‌های همراه با انتقال حرارت کافیست تنها گزینه Energy در فرم Models را فعال نمود (شکل زیر). با فعال کردن این گزینه انتقال حرارت بصورت هدایت و جابجایی در حل میدان جریان محاسبه می‌شود.

انتخاب گزینه Energy در فرم Models در نرم افزار Fluent.

در نرم افزار Fluent، برای شبیه سازی انتقال حرارت تابشی (Radiation) علاوه بر گزینه Energy لازسمت گزینه Radiation نیز در فرم Models نیز انتخاب شده و یک مدل مناسب را برای شبیه سازی حرارت تابشی تعیین نمود. مدل مناسب براساس فیزیک مسئله، دقت مورد نیاز، سخت افزار در دسترس و بخصوص ضخامت نوری (Optical Thickness) انتخاب می‌شود. Rosseland، P1،Discrete Transfere DTRM، Surface to Surface:S2S و ِDiscrete Ordinate:DO مدل‌های قابل استفاده در Fluent برای شبیه‌سازی جریان‌های همراه با انتقال حرارت تابشی هستند.

انتخاب گزینه Radiation در فرم Models در نرم افزار Fluent.

در شبیه سازی انتقال حرارت با استفاده از Fluent، مرزهای جسم (دیواره) را نیز می‌توان بصورت آدیاباتیک (Heat Flux=0)، شار مشخص (Heat Flux=!0)، دما (Tempereture) ، همراه با انتقال حررات جابجایی (Convection)، تابشی (Radiation)، ترکیب جابجایی و تابشی (Mixed) و یا ترکیب جابجایی و هدایت (Via System Coupling) در نظر گرفت.

تعیین شرط مرزی حرارتی رو دیواره جسم.

نرم افزار CFX

در نرم افزار CFX نیز همانند Fluent برای شبیه سازی انتقال حرارت لازمست معادلات انرژی حل شود (شکل زیر). اما بر خلاف Fluent، در این نرم افزار برای محاسبه انتقال حرارت گزینه‌های دما ثابت (Isothermal)، انرژی گرمایی (Thermal Energy) و انرژی کل (Total Energy) برای سیال (انتقال حرارت جابجایی) و دما ثابت (Isothermal) و انرژی گرمایی (Thermal Energy) برای جامد (انتقال حرارت هدایتی) به کاربر پیشنهاد می‌شود که بسته به استراتژی حل می‌توان یکی از آن‌ها را انتخاب نمود.

انتخاب متد محاسبه انتقال حرارت جابجایی در سیال در نرم افزار CFX.

انتخاب متد محاسبه انتقال حرارت هدایت در جامد در نرم افزار CFX.

برای شبیه سازی انتقال حرارت تابشی نیز لازمست یکی از مدل‌های موجود مرتبط در نرم افزار CFX انتخاب شود. این مدل‌ها شامل Rosseland، P1، Discrete Transfer:DO و Monte Carlo می‌باشند. مدل مناسب براساس فیزیک مسئله، دقت مورد نیاز، سخت افزار در دسترس و بخصوص ضخامت نوری (Optical Thickness) انتخاب می‌شود.

در شبیه سازی انتقال حرارت با استفاده از CFX، مرزهای جسم (دیواره) را نیز می‌توان بصورت آدیاباتیک (Adiabatic)، دما (Tempereture)، شار مشخص (Heat Flux)، ضریب انتقال حرارت (Heat Transfer Coefficient) همراه با انتقال حررات ترکیبی (System Coupling) در نظر گرفت.

 

آموزش نرم افزار Fluent قسمت چهارم: کلیات شبیه سازی انتقال حرارت با استفاده از نرم افزار Fluent

آموزش پیشرفته نرم افزار Fluent: آموزش تئوری انتقال حرارت هدایت و جابجایی در Fluent

 

بازگشت

مطالب مرتبط

مبانی تئوری انتقال حرارت به روش هدایت و جابجایی

مبانی تئوری انتقال حرارت تشعشعی (تابشی)

برای کسب اطلاعات بیشتر با ما تماس بگیرید

محمدرضا کلیچ

Ansys Fluent