پس از آماده‌سازی هندسه و ایجاد شبکه محاسباتی، مرحله مهم بعدی در شبیه‌سازی جریان تراکم‌ناپذیر و انتقال حرارت در لوله سه‌راهی، تعریف مدل فیزیکی و شرایط مرزی در محیط CFX-Pre است. در این مرحله مشخص می‌شود چه سیالی در مدل جریان دارد، رفتار جریان چگونه است، انتقال حرارت به چه روشی محاسبه می‌شود و سیال در ورودی‌ها و خروجی چه شرایطی دارد.

تنظیم صحیح این بخش اهمیت زیادی دارد، زیرا حتی اگر هندسه و مش با کیفیت مناسبی ایجاد شده باشند، شرایط مرزی نامناسب می‌توانند باعث ایجاد نتایج غیرواقعی یا حتی ناپایداری در فرآیند حل شوند.

آشنایی با CFX-Pre و تعریف مدل فیزیکی

CFX-Pre محیط اصلی برای تعریف فیزیک مسئله در ANSYS CFX است. در این محیط می‌توان دامنه سیال، ماده، مدل جریان، انتقال حرارت، شرایط مرزی و تنظیمات اولیه مورد نیاز برای حل را مشخص کرد. در ساختار CFX، این اطلاعات در نهایت برای ایجاد فایل تعریف مسئله و انتقال آن به حلگر مورد استفاده قرار می‌گیرند.

برای مسئله لوله سه‌راهی، نخست باید یک Fluid Domain ایجاد شود. این دامنه نشان‌دهنده حجم سیالی است که معادلات جریان و انرژی در آن حل خواهند شد.

در یک مدل آموزشی معمولاً هدف بررسی رفتار یک سیال تراکم‌ناپذیر است که از دو شاخه وارد شده و پس از اختلاط از مسیر خروجی خارج می‌شود.

تعریف ماده سیال

یکی از نخستین تنظیمات در Domain، انتخاب ماده یا Material است. خواص ماده مستقیماً بر رفتار جریان و انتقال حرارت تأثیر می‌گذارند.

برای یک مسئله مقدماتی می‌توان از یک سیال استاندارد مانند آب استفاده کرد. در این حالت خواصی مانند چگالی، ویسکوزیته، ظرفیت حرارتی و رسانندگی حرارتی در محاسبات مورد استفاده قرار می‌گیرند.

اگر دمای سیال در طول شبیه‌سازی تغییر قابل توجهی داشته باشد، باید توجه داشت که خواص وابسته به دما نیز ممکن است بر نتایج تأثیرگذار باشند. بنابراین انتخاب مدل خواص ماده باید متناسب با محدوده دما و ماهیت واقعی مسئله انجام شود.

تعریف جریان تراکم‌ناپذیر

در مسئله حاضر، سیال به‌صورت Incompressible در نظر گرفته می‌شود. این فرض برای بسیاری از جریان‌های مایع با سرعت‌های معمول مهندسی مناسب است؛ زیرا تغییرات چگالی ناشی از فشار و سرعت در مقایسه با سایر اثرات بسیار کوچک هستند.

در CFX باید مدل فیزیکی با این فرض سازگار باشد. در یک جریان تراکم‌ناپذیر، تغییرات اصلی مورد توجه شامل میدان سرعت، فشار و در صورت فعال بودن انتقال حرارت، دما هستند.

این فرض به معنی ثابت بودن تمام خواص سیال در همه شرایط نیست؛ بلکه باید میان «تراکم‌ناپذیری» و «ثابت بودن همه خواص ترموفیزیکی» تفاوت قائل شد.

انتخاب مدل جریان

پس از تعیین ماده، باید مدل جریان مشخص شود. یکی از تصمیم‌های مهم در این مرحله، تعیین Laminar یا Turbulent بودن جریان است.

انتخاب این مدل باید بر اساس شرایط واقعی مسئله و پارامترهایی مانند سرعت، قطر لوله، چگالی و ویسکوزیته انجام شود. در جریان‌های با عدد رینولدز پایین، مدل آرام می‌تواند مناسب باشد؛ در حالی که با افزایش عدد رینولدز، اثرات آشفتگی اهمیت پیدا می‌کنند.

برای مدل‌های آشفته، CFX مجموعه‌ای از مدل‌های توربولانسی را در اختیار کاربر قرار می‌دهد و انتخاب مدل مناسب باید با توجه به نوع جریان و هدف تحلیل انجام شود. در مثال‌های رسمی CFX نیز انتخاب مدل آشفتگی بر اساس ویژگی‌های مسئله انجام می‌شود.

فعال کردن انتقال حرارت

برای اینکه دمای سیال در طول جریان محاسبه شود، باید مدل انتقال حرارت فعال شود.

برای یک مسئله جریان کم‌سرعت و انتقال حرارت، Thermal Energy یکی از مدل‌های مناسب CFX محسوب می‌شود. این مدل امکان محاسبه تغییرات انرژی حرارتی سیال را فراهم می‌کند و در بسیاری از مسائل جریان داخلی و انتقال حرارت مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در صورتی که مسئله شامل اثرات قابل توجه انرژی جنبشی، سرعت‌های بالا یا شرایط خاص حرارتی باشد، ممکن است مدل انرژی دیگری مناسب‌تر باشد. بنابراین انتخاب مدل انرژی نیز باید بر اساس فیزیک واقعی مسئله انجام شود.

تعریف شرایط مرزی ورودی‌ها

در یک لوله سه‌راهی که دو جریان با یکدیگر مخلوط می‌شوند، معمولاً دو سطح به‌عنوان Inlet تعریف خواهند شد.

برای هر ورودی می‌توان شرایطی مانند Mass Flow Rate، Velocity، Temperature و در صورت نیاز مشخصات مربوط به آشفتگی را تعیین کرد.

یکی از کاربردهای مهم این مدل، بررسی اختلاط دو جریان با دماهای متفاوت است. برای مثال، می‌توان جریان اول را دارای دمای بالاتر و جریان دوم را دارای دمای پایین‌تر در نظر گرفت. پس از برخورد دو جریان، میدان دما در ناحیه اتصال شکل می‌گیرد و با حرکت سیال به سمت خروجی، اختلاط حرارتی ادامه پیدا می‌کند.

در CFX شرایط مرزی ورودی می‌توانند بر اساس کمیت‌هایی مانند سرعت یا دبی جرمی تعریف شوند و نوع شرط مرزی باید با اطلاعات واقعی مسئله هماهنگ باشد.

انتخاب Mass Flow Rate یا Velocity

یکی از انتخاب‌های رایج هنگام تعریف ورودی، تعیین دبی جرمی یا سرعت جریان است.

اگر مقدار دبی جرمی واقعی سیستم مشخص باشد، استفاده از Mass Flow Rate می‌تواند انتخاب طبیعی‌تری باشد. در صورتی که سرعت متوسط جریان در ورودی مشخص باشد، می‌توان آن را به‌عنوان شرط ورودی تعریف کرد.

نکته مهم این است که این دو پارامتر نباید به‌صورت مستقل و بدون توجه به یکدیگر انتخاب شوند. برای یک سطح ورودی مشخص، ارتباط میان سرعت، سطح مقطع و دبی جرمی باید با یکدیگر سازگار باشد.

تعریف دمای ورودی

در شبیه‌سازی انتقال حرارت، تعیین دمای ورودی اهمیت ویژه‌ای دارد.

اگر دو جریان ورودی دارای دماهای متفاوت باشند، دمای هر ورودی باید جداگانه تعریف شود. این اختلاف دما محرک اصلی شکل‌گیری میدان حرارتی و اختلاط دمایی در سه‌راهی خواهد بود.

به همین دلیل، برای بررسی صحیح انتقال حرارت، علاوه بر شرایط هیدرودینامیکی، شرایط حرارتی هر ورودی نیز باید به‌درستی تعیین شوند.

تعریف خروجی

سطح خروجی لوله سه‌راهی معمولاً به‌صورت Outlet تعریف می‌شود. یکی از گزینه‌های متداول برای چنین شرایطی، تعیین فشار در خروجی است.

انتخاب شرط خروجی باید با نوع اطلاعات موجود درباره سیستم واقعی هماهنگ باشد. برای مثال، اگر فشار محیط یا فشار downstream مشخص باشد، می‌توان از آن برای تعریف شرایط خروجی استفاده کرد.

همچنین باید توجه داشت که محل خروجی نباید بدون دلیل بیش از حد نزدیک به محل اتصال سه‌راهی قرار گیرد. طول کافی در مسیر خروجی می‌تواند به شکل‌گیری مناسب‌تر جریان پس از اختلاط کمک کند.

تعریف شرایط مرزی دیواره

سطوح داخلی لوله که با سیال در تماس هستند معمولاً به‌عنوان Wall تعریف می‌شوند. در این بخش، علاوه بر رفتار هیدرودینامیکی دیواره، شرایط حرارتی آن نیز باید مشخص شود.

اگر دیواره عایق حرارتی فرض شود، می‌توان شرط Adiabatic Wall را در نظر گرفت. در این حالت از دیواره شار حرارتی وارد سیال نمی‌شود.

در شرایط دیگر می‌توان دمای دیواره را مشخص کرد یا انتقال حرارت میان دیواره و محیط را با استفاده از ضریب انتقال حرارت تعریف نمود. CFX برای دیواره‌ها شرایط مختلفی از جمله دمای ثابت، شار حرارتی و شرایط انتقال حرارت را پشتیبانی می‌کند.

تفاوت دیواره آدیاباتیک و انتقال حرارت از دیواره

در یک مدل آموزشی باید مشخص شود که هدف از «انتقال حرارت» دقیقاً چیست.

اگر تنها هدف بررسی اختلاط دو جریان با دماهای مختلف باشد، می‌توان دیواره را آدیاباتیک در نظر گرفت. در این حالت، تغییرات دما عمدتاً ناشی از اختلاط و انتقال انرژی بین جریان‌ها خواهد بود.

اما اگر هدف بررسی گرم یا سرد شدن سیال از طریق دیواره باشد، باید یک شرط حرارتی مناسب روی دیواره اعمال شود.

در صورت مدل‌سازی هم‌زمان دیواره جامد، مسئله می‌تواند به یک Conjugate Heat Transfer تبدیل شود که در آن هدایت حرارت در جامد و انتقال حرارت در سیال به‌صورت کوپل‌شده محاسبه می‌شوند. CFX قابلیت انجام چنین تحلیل‌هایی را دارد.

تعریف شرایط اولیه

علاوه بر شرایط مرزی، می‌توان برای میدان جریان یک Initial Condition نیز تعریف کرد. شرایط اولیه، مقدار اولیه متغیرهایی مانند سرعت، فشار و دما را قبل از شروع فرآیند حل مشخص می‌کنند.

در یک مسئله پایا، انتخاب مقدار اولیه مناسب می‌تواند به روند همگرایی کمک کند. با این حال، شرایط اولیه با شرایط مرزی یکسان نیستند و نباید این دو مفهوم با یکدیگر اشتباه شوند.

برای مدل ساده لوله سه‌راهی می‌توان میدان اولیه را با مقادیر معقول و سازگار با شرایط ورودی تعریف کرد و سپس اجازه داد حلگر میدان نهایی را به‌صورت تکراری به دست آورد.

تعریف Reference Pressure

در مسائل جریان، فشار می‌تواند نسبت به یک فشار مرجع تعریف شود. بنابراین تعیین Reference Pressure در تنظیم صحیح مدل اهمیت دارد.

در بسیاری از مسائل جریان داخلی، فشار مرجع برای مشخص کردن مبنای اندازه‌گیری فشار استفاده می‌شود و باید با شرایط فیزیکی مسئله سازگار باشد.

نکته مهم این است که فشار مطلق و فشار گیج مفاهیم متفاوتی هستند و هنگام تعیین شرایط مرزی باید مشخص باشد که داده‌های مسئله بر چه مبنایی ارائه شده‌اند.

بررسی سازگاری شرایط مرزی

یکی از مهم‌ترین نکات در تعریف فیزیک مسئله، بررسی سازگاری تمام شرایط مرزی است.

برای مثال، اگر دو ورودی با دبی‌های مشخص تعریف شوند، مقدار جریان خروجی باید با اصل بقای جرم سازگار باشد. به‌صورت مشابه، اگر دو جریان دماهای متفاوت داشته باشند، انتظار می‌رود دمای خروجی تحت تأثیر نسبت دبی‌ها و ظرفیت حرارتی جریان‌های ورودی قرار گیرد.

این بررسی اولیه می‌تواند بسیاری از خطاهای مدل‌سازی را پیش از اجرای Solver مشخص کند.

شرایط مرزی و رفتار جریان در محل اتصال

در لوله سه‌راهی، شرایط ورودی تنها بر بخش‌های ابتدایی مسیر تأثیر نمی‌گذارند؛ بلکه رفتار جریان در محل اتصال نیز تابع آن‌هاست.

تغییر سرعت یا دبی یکی از ورودی‌ها می‌تواند محل برخورد جریان‌ها، ساختار گردابه‌ها و توزیع فشار را تغییر دهد. اختلاف دمای ورودی‌ها نیز میدان حرارتی متفاوتی ایجاد می‌کند.

به همین دلیل، در تحلیل‌های پارامتریک می‌توان اثر تغییر دبی، سرعت یا دمای ورودی‌ها را بر عملکرد حرارتی و هیدرودینامیکی سه‌راهی بررسی کرد.

کنترل تنظیمات پیش از حل

پس از تعریف Domain و شرایط مرزی، بهتر است مدل قبل از اجرای Solver به‌صورت کامل بررسی شود. در این بررسی باید مشخص شود که تمام سطوح مهم به Boundary مناسب اختصاص داده شده‌اند، ماده به‌درستی انتخاب شده، مدل جریان با شرایط مسئله سازگار است و انتقال حرارت مطابق هدف تحلیل تعریف شده است.

همچنین باید بررسی شود که هیچ ورودی یا خروجی مهمی بدون شرایط مرزی باقی نمانده باشد و شرایط حرارتی دیواره‌ها نیز مشخص باشند.

این مرحله از آن جهت اهمیت دارد که بسیاری از خطاهای شبیه‌سازی نه در مرحله حل، بلکه در مرحله تعریف نادرست مدل فیزیکی یا شرایط مرزی ایجاد می‌شوند.

جمع‌بندی

تنظیم فیزیک جریان و شرایط مرزی، یکی از اساسی‌ترین مراحل شبیه‌سازی لوله سه‌راهی در ANSYS CFX است. در این مرحله باید ماده سیال، رفتار تراکم‌ناپذیر، مدل جریان، مدل انتقال حرارت و شرایط ورودی، خروجی و دیواره به‌صورت هماهنگ تعریف شوند.

برای مدل حاضر، دو ورودی و یک خروجی اصلی در نظر گرفته می‌شوند و در صورت بررسی اختلاط حرارتی، دمای ورودی‌های مختلف می‌تواند رفتار میدان دما را در محل اتصال مشخص کند. همچنین بسته به هدف تحلیل، دیواره می‌تواند آدیاباتیک، دارای دمای مشخص یا بخشی از یک مدل انتقال حرارت مزدوج باشد.

کلیدواژه ها : تنظیم شرایط مرزی در ANSYS CFX-فیزیک جریان در ANSYS CFX-آموزش CFX-Pre-شرایط مرزی CFX-جریان تراکم ناپذیر در CFX-مدل سازی جریان تراکم ناپذیر-انتقال حرارت در ANSYS CFX-مدل Thermal Energy-مدل جریان در CFX-مدل آشفتگی در CFX-Laminar Flow در CFX-Turbulent Flow در CFX-تعریف Inlet در CFX-تعریف Outlet در CFX-شرایط مرزی ورودی-شرایط مرزی خروجی-تعریف دمای ورودی در CFX-تعریف دبی جرمی در CFX-Mass Flow Rate در CFX-Velocity Inlet در CFX-Wall Boundary در CFX-Adiabatic Wall-Reference Pressure در CFX-Initial Condition در CFX-Conjugate Heat Transfer-انتقال حرارت مزدوج در CFX-شبیه سازی لوله سه راهی-T Junction CFD-Tee Pipe CFD-شبیه سازی انتقال حرارت در لوله-آموزش ANSYS CFX-آموزش شبیه سازی CFD-ANSYS CFX Boundary Conditions-ANSYS CFX Heat Transfer-ANSYS CFX Incompressible Flow-