شبیه‌سازی جریان سیال در هندسه‌های چندشاخه، یکی از مسائل کاربردی در مهندسی مکانیک، صنایع نیروگاهی، نفت و گاز و تجهیزات حرارتی است. لوله سه‌راهی (T-Junction) نمونه‌ای مناسب برای یادگیری رفتار جریان در محل اتصال دو مسیر و بررسی هم‌زمان میدان سرعت، فشار و دما محسوب می‌شود.

در این آموزش، هدف آشنایی مقدماتی با نحوه مدل‌سازی یک جریان تراکم‌ناپذیر همراه با انتقال حرارت در نرم‌افزار ANSYS CFX است. در چنین مسئله‌ای می‌توان اثر ورود جریان از شاخه‌های مختلف، اختلاط جریان‌ها، افت فشار و تغییرات دمایی در طول لوله را بررسی کرد.

آشنایی با مسئله جریان در لوله سه‌راهی

در یک لوله سه‌راهی، معمولاً دو جریان از دو ورودی وارد شده و از مسیر مشترک خارج می‌شوند، هرچند بسته به مسئله می‌توان آرایش‌های دیگری نیز تعریف کرد. برخورد جریان‌ها در محل اتصال باعث ایجاد ناحیه‌ای با رفتار پیچیده‌تر نسبت به یک لوله مستقیم می‌شود.

در این ناحیه، توزیع سرعت تغییر می‌کند و ممکن است گردابه‌ها، نواحی بازگشتی و گرادیان‌های قابل‌توجه فشار ایجاد شوند. اگر دمای جریان‌های ورودی متفاوت باشد، علاوه بر اختلاط هیدرودینامیکی، اختلاط حرارتی نیز اتفاق می‌افتد و دمای سیال در طول مسیر خروجی تغییر می‌کند.

به همین دلیل، لوله سه‌راهی یک هندسه آموزشی مناسب برای درک ارتباط میان معادلات جریان و انتقال حرارت در CFD محسوب می‌شود.

تعریف جریان تراکم‌ناپذیر در ANSYS CFX

در بسیاری از مسائل مربوط به جریان مایعات با سرعت‌های معمول، تغییرات چگالی ناشی از فشار و سرعت ناچیز است و می‌توان سیال را به‌صورت تراکم‌ناپذیر در نظر گرفت.

در ANSYS CFX، برای چنین مسئله‌ای می‌توان مدل مناسب جریان و خواص سیال را در CFX-Pre تعریف کرد. انتخاب مدل فیزیکی باید با شرایط واقعی مسئله هماهنگ باشد؛ برای مثال، اگر جریان آرام باشد، مدل آشفتگی مورد نیاز نخواهد بود، در حالی که برای جریان آشفته باید یک مدل مناسب توربولانس انتخاب شود.

در کنار معادلات پیوستگی و مومنتوم، با فعال کردن انتقال حرارت، معادله انرژی نیز برای محاسبه میدان دما حل می‌شود. مستندات رسمی ANSYS بیان می‌کنند که مدل Thermal Energy برای جریان‌های کم‌سرعت که اثرات انرژی جنبشی قابل چشم‌پوشی هستند، مناسب است.

مدل‌سازی انتقال حرارت

در این مسئله، هدف تنها محاسبه سرعت و فشار نیست، بلکه باید نحوه تغییر دمای سیال نیز بررسی شود. بنابراین لازم است مدل انتقال حرارت در CFX فعال شود.

برای یک جریان تراکم‌ناپذیر و کم‌سرعت، مدل Thermal Energy می‌تواند انتخاب مناسبی باشد. این مدل انتقال آنتالپی در سیال را محاسبه می‌کند و برای شرایطی که اثرات انرژی جنبشی اهمیت زیادی ندارند، استفاده می‌شود.

در صورت وجود اختلاف دما بین جریان‌های ورودی، میدان دما در محل اتصال سه‌راهی به‌تدریج شکل می‌گیرد. میزان اختلاط حرارتی به عواملی مانند سرعت جریان‌ها، دمای ورودی، خواص حرارتی سیال، هندسه لوله و شرایط دیواره وابسته است.

آماده‌سازی هندسه و شبکه‌بندی

اولین مرحله عملی شبیه‌سازی، ایجاد هندسه لوله سه‌راهی و مشخص کردن حجم سیال است. در یک مدل CFD معمولاً آنچه برای حل مورد نیاز است حجم داخلی سیال است، نه صرفاً سطح خارجی لوله.

پس از ایجاد هندسه، شبکه‌بندی انجام می‌شود. کیفیت مش در محل اتصال سه‌راهی اهمیت زیادی دارد، زیرا در این ناحیه تغییرات سرعت، فشار و دما می‌تواند نسبتاً شدید باشد.

بهتر است در اطراف محل اتصال و همچنین نزدیک دیواره‌ها، شبکه با دقت بیشتری ایجاد شود. انتخاب اندازه سلول‌ها باید با توجه به نوع جریان و مدل آشفتگی انجام شود و صرفاً افزایش تعداد المان‌ها بدون توجه به کیفیت شبکه، لزوماً باعث افزایش دقت نتیجه نخواهد شد.

تعریف شرایط مرزی

پس از ایجاد مش، مدل وارد محیط CFX-Pre می‌شود و شرایط فیزیکی مسئله تعریف می‌گردد.

برای یک نمونه آموزشی می‌توان یکی از ورودی‌ها را به‌عنوان ورودی جریان گرم و ورودی دیگر را به‌عنوان جریان سرد در نظر گرفت. برای هر ورودی، کمیت‌هایی مانند سرعت یا دبی جرمی و دمای ورودی مشخص می‌شود.

در خروجی نیز معمولاً شرط فشار اعمال می‌شود. دیواره‌های لوله می‌توانند بسته به هدف تحلیل به‌صورت آدیاباتیک، دارای دمای ثابت یا دارای شار حرارتی مشخص تعریف شوند. CFX برای دیواره‌های جامد گزینه‌هایی مانند Adiabatic، Fixed Temperature، Heat Flux و Heat Transfer Coefficient را در اختیار قرار می‌دهد.

انتخاب صحیح شرایط مرزی اهمیت زیادی دارد، زیرا نتایج شبیه‌سازی مستقیماً به نحوه تعریف ورودی‌ها، خروجی و دیواره‌ها وابسته هستند.

بررسی میدان سرعت و فشار

پس از حل مسئله، یکی از اولین نتایجی که باید بررسی شود، میدان سرعت است. در محل اتصال سه‌راهی، جریان‌های ورودی با یکدیگر برهم‌کنش کرده و الگوی جریان پیچیده‌تری نسبت به مسیرهای مستقیم ایجاد می‌کنند.

با استفاده از کانتورهای سرعت می‌توان مشخص کرد که بیشترین سرعت در کدام نواحی ایجاد شده و آیا در محل اتصال، ناحیه بازگشتی یا گردابه‌ای وجود دارد یا خیر.

میدان فشار نیز اطلاعات مهمی درباره افت فشار در مسیر جریان ارائه می‌کند. اختلاف فشار بین ورودی و خروجی می‌تواند برای ارزیابی مقاومت هیدرولیکی سیستم و مقایسه حالت‌های مختلف هندسی یا عملیاتی مورد استفاده قرار گیرد.

بررسی میدان دما و اختلاط حرارتی

یکی از مهم‌ترین بخش‌های این شبیه‌سازی، مشاهده توزیع دما در داخل لوله سه‌راهی است.

اگر دو جریان با دماهای متفاوت وارد سه‌راهی شوند، در محل برخورد، انتقال حرارت و اختلاط اتفاق می‌افتد. با حرکت جریان به سمت خروجی، اختلاف دمای بین بخش‌های مختلف جریان کاهش پیدا می‌کند و دمای مخلوط به شرایط جدید نزدیک می‌شود.

در CFD-Post می‌توان کانتور دما، خطوط جریان و تغییرات دما در مقاطع مختلف را بررسی کرد. همچنین امکان استخراج کمیت‌هایی مانند دمای میانگین خروجی، شار حرارتی و سایر پارامترهای مورد نیاز برای تحلیل عملکرد حرارتی وجود دارد.

اهمیت انتخاب مدل انتقال حرارت

انتخاب مدل انتقال حرارت باید متناسب با ماهیت مسئله انجام شود. برای جریان‌های کم‌سرعت، Thermal Energy معمولاً انتخاب مناسبی است؛ در شرایطی که اثرات انرژی جنبشی یا پدیده‌های خاص حرارتی اهمیت پیدا کنند، ممکن است استفاده از مدل‌های دیگر مانند Total Energy ضرورت داشته باشد.

در صورتی که علاوه بر سیال، هدایت حرارت در جنس خود لوله نیز مورد بررسی باشد، مسئله به یک تحلیل Conjugate Heat Transfer (CHT) تبدیل می‌شود. در این حالت انتقال حرارت در سیال و جامد به‌صورت کوپل‌شده بررسی می‌شود. ANSYS نیز CFX را از جمله حلگرهایی معرفی می‌کند که قابلیت داخلی تحلیل انتقال حرارت مزدوج را دارند.

جمع‌بندی

شبیه‌سازی جریان تراکم‌ناپذیر و انتقال حرارت در یک لوله سه‌راهی، مثال مناسبی برای یادگیری فرآیند کلی تحلیل CFD در ANSYS CFX است. در این مسئله، کاربر با مراحل اصلی شامل آماده‌سازی هندسه، ایجاد مش، تعریف ماده، تعیین مدل جریان و انتقال حرارت، اعمال شرایط مرزی، حل معادلات و در نهایت بررسی نتایج آشنا می‌شود.

مهم‌ترین خروجی‌های این تحلیل شامل میدان سرعت، فشار و دما هستند و می‌توان از آن‌ها برای بررسی رفتار جریان، افت فشار و کیفیت اختلاط حرارتی در محل اتصال استفاده کرد. چنین مدلی همچنین می‌تواند نقطه شروع مناسبی برای مسائل پیشرفته‌تر مانند جریان آشفته، انتقال حرارت مزدوج، بررسی افت فشار در اتصالات و بهینه‌سازی هندسه لوله باشد.

کلیدواژه ها : آموزش ANSYS CFX-شبیه سازی جریان تراکم ناپذیر-جریان تراکم ناپذیر در CFX-انتقال حرارت در ANSYS CFX-شبیه سازی لوله سه راهی-لوله سه راهی در CFX-T-Junction CFD-تحلیل CFD در ANSYS CFX-CFX Pre-CFD-میدان سرعت و فشار-میدان دما در CFX-انتقال حرارت سیال-مدل Thermal Energy-شبیه سازی جریان در لوله-آموزش مقدماتی CFX-آموزش ANSYS CFX-انتقال حرارت در لوله-