-
سبد خرید شما خالی است!
نمایش منو
سبد خرید شما خالی است!
مقدمه‌ای بر مدلسازی انتقال حرارت در نرم‌افزار OpenFOAM
در مقالات آموزشی قبلی به طور جداگانه به آشنایی با نرم افزار OpenFoam و نحوه نصب نرم افزار اپن فوم پرداخته شد و ذکر گردید که نرم افزار OpenFoam از مهم ترین و پرکاربردترین نرم افزاری رشته مهندسی مکانیک می باشد که کاربرد فراوانی در تهیه پایان نامه های کارشناسی ارشد و دکترا , ارایه مقالات علمی و پژوهش ها دارد . در ادامه این مقاله آموزشی به آشنایی با مدل سازی انتقال حرارت در نرم افزار OpenFoam پرداخته می شود . انتقال حرارت (گرما) ، انرژی در جریان ناشی از اختلاف دما است .
هر گاه اختلاف دمایی در یک ماده یا بین دو ماده وجود داشته باشد ، انتقال حرارت رخ می‌دهد . برای بیان انتقال حرارت در ماده‌ای ساکن (خواه جامد یا سیال) که در آن تغییرات دما وجود دارد ، از واژه رسانایی (conduction) استفاده می‌شود . هنگامی که انتقال حرارت بین سطح یک جسم جامد و سیالی در حال حرکت با دماهای مختلف اتفاق بیفتد ، با انتقال حرارت جاجایی (convection) سر و کار داریم . شیوه سوم انتقال حرارت مربوط به انتقال حرارت تابشی (radiation) است که می‌تواند در غیاب ماده واسط ، بین دو سطح با دماهای مختلف رخ دهد . فرآیندهای مربوط به انتقال حرارت ، در تجهیزات مورد استفاده و تولید شده توسط همه بخش های بزرگ صنعتی حضور پر رنگی دارند. برخی از این صنایع و کاربردها عبارتند از :
خودروسازی : رادیاتور ، مدار خنک‌کاری ، مدار روغن‌کاری
هوافضا : سیستم‌های خنک‌کاری
فرآیندهای شیمیایی : سیستم‌های بازیابی حرارت ، مبدل‌های حرارتی
انرژی : کوره‌ّها ، بویلرها ، پنل‌های خورشیدی
خانگی : اجاق‌ها ، هیترها
امروزه صنایع مختلف ، خواهان بهبود کارآیی فرآیندهای انتقال حرارت در تجهیزات مختلف هستند . دینامیک سیالات محاسباتی نقش اساسی را در بهینه‌سازی ، تحلیل و طراحی تجهیزات دارا می‌باشد و به دلیل گستردگی صنایع مرتبط با انتقال حرارت ، آنالیز انتقال حرارت ، در بیشتر پروژه‌های CFD مورد نیاز می‌باشد .
در میان نرم‌افزارهای متنوع موجود در حوزه CFD (فلوینت، CFX و ...)، نرم‌افزار اپن فوم به عنوان نرم‌افزاری متن باز (open source) و رایگان توانسته است که در میان جوامع دانشگاهی و صنعتی سهم قابل توجهی از شبیه‌سازی‌های مربوط به حوزه انتقال حرارت را به خود اختصاص دهد و در بسیاری از پایان نامه های کارشناسی ارشد و دکترا , ارایه مقالات پژوهشی و علمی , پروژه های صنعتی از آن استفاده بشود . در نرم افزار اپن فوم، مهمترین بخش شبیه‌سازی ، مربوط به انتخاب حلگر (solver) می‌باشد .
نرم‌افزار اپن فوم دارای تعداد زیادی حلگر می‌باشد که هر کدام برای یک حوزه خاص و تخصصی در نظر گرفته شده‌اند (احتراق ، جریانهای چند فازی، دینامیک مولکولی و...) . در حوزه انتقال حرارت و جریانهای ناشی از شناوری نیز بایستی با توجه به شرایط مسأله ، از حلگر مناسب بهره گرفت. در جدول زیر مشخصات برخی از حلگرهای انتقال حرارت نرم افزار اپن فوم ذکر شده است.
|
buoyantBoussinesqSimpleFoam |
حل پایای جریان شناوری غیر قابل تراکم و آشفته |
|
buoyantSimpleFoam |
حل پایای جریان شناوری غیر قابل تراکم و آشفته برای بافل‌های حرارتی |
|
buoyantPimpleFoam |
حل گذرای جریان شناوری قابل تراکم و مغشوش، کاربرد در تهویه و انتقال حرارت |
|
buoyantSimpleRadiationFoam |
حل پایای جریان شناوری قابل تراکم و آشفته، شامل حل تشعشعی، مناسب برای محاسبه انتقال حرارت و تهویه هوا |
|
chtMultiRegionFoam |
حل انتقال حرارت چندگانه بین فازهای جامد و سیال همراه با حل تشعشعی |
در ادامه مقاله آموزشی تنظیمات فایل‌ها و پوشه‌هایی را که برای شبیه‌سازی یک زانویی اختلاط در نرم افزار اپن فوم و با استفاده از حلگر buoyantBoussinesqSimpleFoam مورد نیاز می‌باشد ، به طور اجمالی مرور می‌کنیم . زانویی اختلاط در صنایع نیروگاهی و فرآیندی مورد استفاده می‌باشد . در این مسأله مطابق شکل زیر ، آب سرد در دمای ۲۰ درجه سلسیوس و سرعت ۴/۰ متر بر ثانیه از ورودی (A) و آب گرم در دمای ۲۰ درجه سلسیوس و سرعت ۲/۱ متر بر ثانیه از ورودی (B) وارد می‌شود .
پس از تولید هندسه زانویی و شبکه‌بندی آن (در ابزار blockMesh یا نرم‌افزار گمبیت و ...) (نشان داده شده در شکل زیر)، بایستی تنظیمات شرایط مرزی در پوشه 0 اعمال شود .
علاوه بر تنظیم فایل‌های سرعت (U)، فشار (P) و فشار منهای فشار هیدرواستاتیکی (p-rgh)، بایستی تنظیمات مربوط به فایل دما (T)، مطابق شکل زیر انجام شود .
همچنین ، تنظیمات مربوط به پارامترهای مدل آشفتگی نیز بایستی در پوشه 0 انجام شود . این فایل‌ها شامل انرژی جنبشی اغتشاشی (k)، اضمحلال انرژی جنبشی (epsilon)، هدایت گرمایی آشفته (kappat) و ضریب پخش گرمایی آشفته (alphat) می‌باشند . سپس بایستی در پوشه constant و در فایل transportProperties مقادیر فیزیکی (همچون ویسکوزیته سینماتیکی سیال) ویرایش شوند . نوع مدل آشفتگی (k-ε، k-ω و ... ) نیز بایستی در فایل RASProperties تعیین گردد .
سپس نوبت به تنظیم مقادیر گام زمانی (فایل controlDict) ، روش حل دستگاه‌های معادلات و میزان خطای قابل قبول آنها (فایل (fvSolution و نحوه گسسته‌سازی عددی معادلات حاکم ( فایل (fvSchemes از پوشه system می‌رسد . در انتها با تایپ نام حلگر (buoyantBoussinesqSimpleFoam) در ترمینال لینوکس می‌توان شبیه‌سازی را آغاز نمود . شکل زیر نتیجه شبیه‌سازی زانوی اختلاط (میدان سرعت) را که با استفاده از نرم‌افزار ParaView (ابزار پس‌پردازشی استاندارد اپن فوم) به وجود آمده است را نشان می‌دهد .
در مقالات گذشته به طور کامل توضیح داده شده است که نرم افزار مهندسی اپن فوم یکی از پرکاربرد ترین نرم افزار های مهندسی در رشته مهندسی مکانیک می باشد که در ارایه و تولید بسیاری از پایان نامه های کارشناسی ارشد , پروژه های علمی و صنعتی . مقالات بکار می رود .
این مقاله آموزشی ادامه ای بر مقالات آموزشی در رشته مهندسی مکانیگ گرایش سیالات می باشد که امیدواریم برای پایان نامه های کارشناسی ارشد , مقالات و پژوهش های بازدید کنندگان گرامی مفید واقع شود .
برای مطالعه مقالات آموزشی بیشتر می توانید مقاله های زیر را مطالاعه نمایید :
آشنایی و آموزش نصب نرم افزار Ansys
آشنایی و آموزش نصب نرم افزار Matlab
