مقدمه‌ای بر مدلسازی انتقال حرارت در نرم‌افزار فلوئنت

در ادامه مباحث آموزشی مهندسی مکانیک گرایش سیالات در این مقاله به مقدمه‌ای بر مدلسازی انتقال حرارت در نرم‌افزار فلوئنت پرداخته می شود که امیدواریم برای دانشجویان کارشناسی ارشد برای ارایه مقالات علمی , پژوهشی و پایان نامه های کارشناسی ارشد مفید واقع شود .

  انتقال انرژی گرمایی از ماده‌ای قرار گرفته در ناحیه‌ای از فضا به ماده‌ای قرار گرفته در ناحیه‌ای متفاوت درفضا ، به عنوان انتقال حرارت شناخته می‌شود . لازمه وجود انتقال حرارت وجود اختلاف دما می‌باشد به طوری که هر گاه در یک ماده واحد و یا میان دو ماده متفاوت ، اختلاف دما وجود داشته باشد ؛ شاهد انتقال حرارت هستیم . مکانیزم‌های انتقال حرارت به سه دسته رسانایی (conduction) جابجایی (convection) تابشی (radiation) تقسیم‌‌بندی می‌شوند . انتقال حرارت نقش بی‌بدیلی در صنایع مختلف دارد . از تجهیزات مربوط به صنایع خودروسازی (رادیاتور اتومبیل) و پالایشگاهی (بویلرها و کوره‌ها) گرفته تا صنایع خانگی (تهویه مطبوع) همگی با مفاهیم انتقال حرارت سر و کار دارند .

بنابراین ، طراحی ، مدلسازی و بهینه‌سازی بسیاری از تجهیزات ، وابسته به داشتن درکی درست از فرآیند انتقال حرارت می‌باشد . در سالیان اخیر تکنیک دینامیک سیالات محاسباتی cfd ، به کمک محققان و صنعتگران آمده و بسیاری از نیاز‌های آنها را در شبیه‌سازی فرآیندهای انتقال حرارت مرتفع نموده است . در میان نرم‌افزارهای مرتبط با حوزه ، نرم‌افزار فلوينت (انسیس فلوینت) ، همواره به عنوان یکی از گزینه‌ّای اصلی برای تحلیل مسائل مرتبط با انتقال حرارت و جریان‌ّهای شناوری مطرح بوده است . بنا بر شرایط مسأله و نوع مکانیزم انتقال حرارت ، نرم افزار Fluent قادر است تا معادلات حاکم (پیوستگی، مومنتوم و انرژی) را حل نماید . نرم افزار Fluent همچنین  می‌تواند انتقال حرارت در هندسه‌های تکرارشونده متناوب را به خوبی پیش‌بینی نماید . نرم افزار Fluent قادر به شبیه‌سازی گستره وسیعی از مسائل ، از اختلاط گرمایی در سیال تا رسانایی در کامپوزیت‌ها می‌باشد . برای آشنایی با کامپوزیت ها می توانید بر روی کامپوزیت کلیک نمایید تا به مقاله مورد نظر هدایت شوید .    

هنگامی که قصد شبیه‌سازی انتقال حرارت را داریم ، بایستی در نرم افزار فلوینت ، مدل‌های فیزیکی مرتبط ، شرایط مرزی و همچنین ویژگی مواد و سیالات عامل را تعیین کنیم . نرم افزار Fluent معادله انرژي به فرم زیر را حل می‌کند:

. سه ترم اول در سمت راست معادله ، به ترتیب بیانگر انتقال حرارت ناشی از رسانایی ، پخش گونه‌ها و پخش ویسکوز می‌باشد . شامل حرارت واکنش‌های شیمیایی و دیگر منابع حجمی گرمای تعریف شده توسط کاربر است . در معادله فوق داریم :

روندی که بایستی به منظور شبیه‌سازی یک مسأله انتقال حرارت طی شود ، در ادامه به طور اجمالی بیان شده است .

به منظور فعال کردن محاسبات انتقال حرارت ، باید مطابق شکل زیر گزینه Energy Equation در پانل Energy فعال شود :

چنانچه در حال مدل کردن سیال ویسکوز باشیم و بخواهیم که ترم‌های گرمایش ویسکوز در معادله انرژی فعال شوند ، بایستی گزینه Viscous Heating را از پانل Viscous Model فعال کنیم .

سپس بایستی شرایط مرزی (ورودی ، خروجی ، دیواره‌ها و ...) را تنظیم نماییم . در ادامه نیز باید ویژگی‌های مواد (ظرفیت گرمایی ، چگالی ، ویسکوزیته و ...) را از طریق گزینه Materials مشخص کنیم . در انتها نیز بایستی همانند سایر مسائل به تنظیم گزینه‌های حل (ضرایب تخفیف، معیار همگرایی و ...) پرداخته و شبیه‌سازی را انجام دهیم .

نرم‌افزار فلوينت همچنین توانیی خوبی جهت مدلسازی مسائل جابجایی آزاد و جریان‌های شناوری (Buoyancy) دارد. هنگامی که گرما به سیال اعمال می‌شود ، دانسیته سیال با دما تغییر کرده و به علت نیروی جاذبه ، جریان می‌تواند القا شود . اهمیت جریان‌های شناوری در مباحث انتقال حرارت می‌تواند با نسبت عدد گراشف به عدد رینولدز بیان شود .

هنگامی که این نسبت به یک نزدیک شود ، بایستی اثرات جریان‌های شناوری را در شبیه‌سازی لحاظ نمود . در نرم‌افزار فلوینت ، هنگام مدل کردن جابجایی آزاد در داخل یک محفظه بسته ، جواب مسأله به جرم داخل محفظه وابسته است . از آنجا که این جرم جزء مجهولات است (مگر اینکه چگالی معلوم باشد) ،  مدلسازی جریان بایستی از یکی از دو رویکرد زیر انجام شود :

• محاسبات گذرا : در این رویکرد چگالی اولیه از مقادیر فشار و دمای اولیه محاسبه می‌شود ؛ بنابراین جرم اولیه معلوم است . در طی شبیه‌سازی ،‌ این جرم محفوظ می‌ماند . اگر تغییرات دما در دامنه محاسباتی زیاد و بزرگ باشد ، بایستی حتماً از این رویکرد استفاده شود .
• محاسبات پایا با استفاده از مدل بوزینسک : در این رویکرد یک مقدار ثابت برای چگالی در نظر می‌گیریم . این روش تنها هنگامی معتبر است که تغییرات دمایی در دامنه حل کوچک باشند ؛ در غیر این صورت بایستی از رویکرد حالت گذرا استفاده شود.