Flow with Phase Changing (Solidification/Melting) Simulation in CFD Softwares

تغییر حالت‌های ماده همواره در اثر تغییرات فشار و دما امکان‌پذیر است. ماده می‌تواند از حالت جامد به مایع (ذوب)، جامد به گاز (تصعید)، مایع به جامد (انجماد)، گاز به مایع (میعان) و گاز به جامد (چگالش) یا ته نشینی (Deposition) تغییر کند (شکل زیر).

عناوین تغییر حالت (فاز) ماده
تغییر حالت (فاز) ماده براساس دما و فشار

بحث شبیه‌سازی گاز به مایع و مایع به گاز در مقوله انتقال جرم در جریان‌های چند فازی و گاز به جامد (حالت ته نشینی) در جریان‌های فاز گسسته (Disceret Phase Model) مطرح شده است. در این قسمت به بررسی انجماد ( Solidification) و ذوب (Melting) پرداخته شده است.

نرم افزار Fluent و شبیه سازی جریان سیال همراه با تغییر فاز ذوب و انجماد

نرم افزار Fluent می‌تواند جریان‌ سیالات درگیر با ذوب (Melting) یا انجماد (Solidification) در یک دمای خاص (به عنوان مثال برای فلزات خالص) یا در گستره دمایی (برای مثال آلیاژهای دوتایی) را مدلسازی کند. بجای رهگیری صریح جبهه جامد-مایع، این نرم افزار از تکنیک فرمولاسیون تخلخل-آنتالپی (Enthalpy-Porosity) استفاده می‌کند. در واقع، ناحیه خمیری جامد-مایع همچون یک ناحیه متخلخل رفتار می‌کند که تخلخل آن برابر با کسر حجمی مایع می‌باشدو در نتیجه یک ترم چاه (Sink Term) مناسب به منظور افت فشار ناشی از ماده جامد به معادله ممنتم اضافه می‌شود. همچنین ترم‌های چاهی نیز به معادلات آشفتگی اضافه شده تا میزان کاهش تخلخل در نواحی جامد بدست آید. مهمترین قابلیت‌های این نرم افزار برای شبیه سازی جریان‌های همراه با ذوب-انجماد عبارتند از:

– مدلسازی فرآیندهای ریخته گری پیوسته (Continues Casting Processes)

-مدلسازی مقاومت حرارتی اتصالات (به عنوان مثال مقاومت حرارتی ناشی از شکاف هوا) بین ماده منجمد شده و دیواره

-مدلسازی انتقال گونه‌های شیمیایی (Species Transport) طی فرآیند ذوب/انجماد

-پس پردازش مقادیر وابسته به ذوب/انجماد از قبیل کسر حجمی سیال و سرعت کشیده یا کنده شدن (Pulling).

توانائی‌های فوق به نرم افزار Fluent اجازه می‌دهد تا طیف وسیعی از مسائل درگیر با ذوب/انجماد شامل ذوب فلزات، یخ زده‌گی، ریخته گری پیوسته و رشد کریستالی را مدلسازی کند. از طرفی هنگام مدلسازی ذوب/انجماد آلیاژها، نرم افزار مذکور دو قانون برای کسر حجمی مایع نسبت به دما پیشنهاد می‌کند که قانون خطی لور (Linier Lever Rule) و قانون غیر خطی شیل (Non-linier Scheil Rule) نام دارند.

البته استفاده از این مدل در نرم افزار Fluent بدون محدودیت هم نیست. مهمترین محدودیتهای موجود هنگام استفاده از این مدل عبارتند از:

-مدل ذوب تنها برای حلگرهای فشار مبنا (Pressure Based Solver) سازگار است.

-این مدل تنها برای جریان‌های تراکم پذیر کاربرد دارد.

-از بین مدل‌های معمول چند فازی VOF، Mixture و Eulerian، تنها مدل VOF بطور همزمان با مدل ذوب/انجماد قابل استفاده است.

-هنگام استفاده از مدل مذکور همراه با مدل واکنش Species Transport، در صورت وجود واکنش، مکانیزمی برای محدود ساختن مدلسازی واکنش در فاز جامد وجود ندارد. به عبارت دیگر واکنش‌ها برای کل دامنه اعم از سیال و جامد (سیال منجمد شده) حل می‌شود.

-بجز انتشار گونه‌های شیمیایی، امکان تعیین خصوصیات فازهای جامد و مایع ماده بطور مجزا و از طریق رابط کاربر وجو ندارد. اما به هر صورت در صورت نیاز، خصوصیات فازهای مایع و جامد ماده بطور جداگانه با استفاده از ماکرو DEFINE-PROPERTIES UDFs قابل تعیین است.

برای تنظیم شرایط مسئله همراه با ذوب یا انجماد کافیست طبق شکل نشان داده شده در زیر، در ماژول Setting Up Domain/Models ، در پانل Solidification Melting تنظیمات مناسب را انجام داد.

گزینه‌های موجود در پانل Solidification /Melting.

لازم به توضیح است که لازم است در پانل Material (شکل زیر)، مقادیر مناسب برای گرمای ذوب حلال خالص (Pure Solvent Melting Heat)، حداکثر دمایی که در آن فقط فاز جامد حاکم است (Solidus Tempreture) و حداقل دمایی که در آن فقط فاز مایع حاکم است (Liquidus Tempereture) برای سیال مد نظر تعیین گردد.

قابل توجه است که در نرم افزار CFX صراحتا بحث ذوب و انجماد (Solidification/Melting) مطرح نشده است.

بازگشت

برای کسب اطلاعات بیشتر با ما تماس بگیرید

محمدرضا کلیچ