پس از ترسیم هندسه و مش‌بندی دقیق محفظه احتراق دو بعدی، مرحله حیاتی بعدی تنظیمات حلگر (Solver Setup) و انجام شبیه‌سازی در ANSYS Fluent است. این مرحله شامل تعریف مدل‌های فیزیکی، شرایط مرزی، و پارامترهای حل برای دستیابی به نتایج دقیق و پایدار است. تحلیل نتایج نیز برای درک رفتار احتراق و عملکرد محفظه ضروری است.

۱. تنظیمات اولیه در ANSYS Fluent

پس از باز کردن Fluent و فراخوانی مش (Mesh) آماده شده، باید تنظیمات پایه را انجام داد:

الف. General Settings:

  • Solver Type: برای احتراق، معمولاً از حلگرهای Pressure-Based (برای جریان‌های با سرعت پایین تا متوسط و احتراق) یا Density-Based (برای جریان‌های تراکم‌پذیر با سرعت بالا و احتراق) استفاده می‌شود. در شبیه‌سازی دو بعدی احتراق، Pressure-Based با گزینه Coupled برای سرعت و همگرایی بهتر در مسائل با واکنش‌های شیمیایی پیچیده، اغلب انتخاب می‌شود.
  • Time: برای احتراق، می‌توان از حالت Steady (برای حالت پایا) یا Transient (برای حالت گذرا و بررسی دینامیک شعله یا راه‌اندازی) استفاده کرد. در بسیاری از موارد برای شروع تحلیل، از حالت Steady استفاده می‌شود و در صورت نیاز به بررسی پدیده‌های ناپایا به حالت Transient سوئیچ می‌شود.
  • 2D Space: مطمئن شوید که گزینه “Planar” یا “Axisymmetric” بسته به نوع هندسه شما انتخاب شده است.

ب. Models (مدل‌های فیزیکی):

  • Energy Equation: حتماً باید معادله انرژی را فعال کنید (“On”)، زیرا احتراق یک فرآیند با انتقال حرارت و تغییرات دمایی قابل توجه است.
  • Viscous Model (مدل آشفتگی): برای جریان‌های آشفته در محفظه احتراق، انتخاب مدل آشفتگی مناسب حیاتی است. مدل‌های رایج عبارتند از:
  • k−ϵk-\epsilonk−ϵ (Standard, RNG, Realizable): مدل‌های عمومی و پرکاربرد هستند، اما در نزدیکی دیواره‌ها و در جریان‌های با جدایش پیچیده ممکن است دقت کمتری داشته باشند.
  • k−ωk-\omegak−ω (Standard, SST): مدل SST (k−ωk-\omegak−ω Shear Stress Transport) به دلیل دقت بالا در لایه‌های مرزی و همچنین در مناطق با جدایش جریان، اغلب برای احتراق توصیه می‌شود.
  • Eddy-Dissipation Model (EDM) یا Eddy-Dissipation Concept (EDC): این مدل‌ها برای احتراق آشفته (Turbulent Combustion) در Fluent استفاده می‌شوند. EDM فرض می‌کند که سرعت واکنش شیمیایی توسط اختلاط آشفته کنترل می‌شود و EDC یک رویکرد پیچیده‌تر است که ساختار ریز مقیاس آشفتگی را برای مدل‌سازی واکنش در نظر می‌گیرد. انتخاب بین آن‌ها به ماهیت احتراق و دقت مورد نیاز بستگی دارد.
  • Species Transport: این مدل باید فعال شود. در زیرمجموعه آن، “Volumetric Reactions” را انتخاب کرده و “Mixture Materials” را تنظیم کنید.
  • Mixture Material: باید یک “Mixture Template” (مثلاً Air_Methane) را انتخاب کرده یا مواد جدیدی (سوخت، اکسیدکننده، محصولات) را تعریف کنید و سپس یک ترکیب جدید (Mixture) از آن‌ها بسازید. مطمئن شوید که تعداد گونه‌ها (Species) و واکنش‌ها (Reactions) به درستی تعریف شده‌اند.
  • Reaction Mechanism: در بخش “Reactions” تعداد واکنش‌ها، معادله شیمیایی و ضرایب استوکیومتری را تعریف کنید. Fluent از فرمت Arrhenius برای تعریف سرعت واکنش‌های شیمیایی استفاده می‌کند.
  • Turbulence-Chemistry Interaction: در صورت استفاده از مدل‌های EDM/EDC، این مدل‌ها به طور خودکار اندرکنش بین آشفتگی و واکنش را مدیریت می‌کنند.

۲. تعریف مواد و شرایط مرزی

الف. Materials (مواد):

  • Fluid: خواص فیزیکی گاز (هوا، سوخت، محصولات) شامل چگالی (Ideal Gas برای تراکم‌پذیری)، ویسکوزیته، گرمای ویژه و هدایت حرارتی را تعریف یا تنظیم کنید.
  • Solid: در صورتی که دیواره‌ها یا سایر اجزای جامد را مدل کرده‌اید، خواص حرارتی آن‌ها (هدایت حرارتی، چگالی، گرمای ویژه) را تعریف کنید.

ب. Boundary Conditions (شرایط مرزی):

  • Inlets (ورودی‌ها):
  • Fuel Inlet: نوع Velocity Inlet یا Mass Flow Inlet را انتخاب کنید. سرعت یا دبی جرمی، دمای سوخت و مهمتر از همه، کسرهای جرمی (Mass Fractions) گونه‌های سوخت را مشخص کنید.
  • Air Inlet: مشابه ورودی سوخت، سرعت یا دبی جرمی، دمای هوا و کسرهای جرمی گونه‌های هوا (به عنوان مثال 0.23 برای O2 و 0.77 برای N2) را وارد کنید.
  • Outlet (خروجی): نوع Pressure Outlet را انتخاب کنید. فشار گیج (Gauge Pressure) را صفر قرار دهید و Fluent به طور خودکار جریان را به محیط بیرونی تخلیه می‌کند.
  • Walls (دیواره‌ها):
  • Thermal Conditions: برای دیواره‌ها، می‌توانید یکی از گزینه‌های زیر را انتخاب کنید:
  • Adiabatic: بدون انتقال حرارت (عایق کامل).
  • Heat Flux: شار حرارتی ثابت.
  • Convection: انتقال حرارت جابجایی با یک ضریب انتقال حرارت و دمای محیط.
  • Temperature: دمای ثابت دیواره.
  • Shear Condition: معمولاً No-Slip (شرط عدم لغزش) انتخاب می‌شود.

۳. روش‌های حل و همگرایی

الف. Solution Methods (روش‌های حل):

  • Pressure-Velocity Coupling: برای حلگر Pressure-Based، روش SIMPLE، SIMPLEC، یا PISO معمولاً استفاده می‌شود. در مسائل احتراق، PISO یا Coupled به دلیل robustness بیشتر توصیه می‌شوند.
  • Spatial Discretization: برای افزایش دقت، از طرح‌های گسسته‌سازی Second-Order Upwind برای معادلات Momentum, Energy, Species و Turbulence استفاده کنید.

ب. Solution Controls (کنترل‌های حل):

  • Under-Relaxation Factors: برای اطمینان از همگرایی، ممکن است نیاز باشد ضرایب Under-Relaxation را برای معادلات مختلف کاهش دهید، به خصوص برای معادلات Species و Energy که می‌توانند نوسانات زیادی داشته باشند.

ج. Initialization (مقداردهی اولیه):

  • از Hybrid Initialization استفاده کنید که یک راه‌اندازی اولیه قوی‌تر و پایدارتر برای مسائل پیچیده مانند احتراق فراهم می‌کند. همچنین می‌توانید از Standard Initialization با مقادیر تقریبی برای دما و کسرهای جرمی استفاده کنید.

د. Run Calculation (اجرای محاسبات):

  • Number of Iterations: تعداد تکرارها را بر اساس پیچیدگی مسئله و هدف همگرایی تنظیم کنید.
  • Convergence Criteria: Residuals (باقیمانده‌ها) را برای هر معادله (Continuity, Momentum, Energy, Species, Turbulence) پایش کنید. معمولاً مقادیر 10−610^{-6}10−6 برای Energy و Species و 10−410^{-4}10−4 برای بقیه معادلات قابل قبول هستند. همچنین، نقاط مانیتور (Monitor Points) برای دما، کسرهای جرمی در ناحیه شعله یا خروجی برای پایش همگرایی فیزیکی بسیار مفید هستند.

۴. پس‌پردازش و تحلیل نتایج

پس از همگرایی حل، مرحله تحلیل نتایج برای استخراج اطلاعات مفید و درک عمیق‌تر از فرآیند احتراق آغاز می‌شود:

الف. Visualizations (تصویرسازی):

  • Contours (کنتورها):
  • Temperature Contours: برای مشاهده میدان دما، موقعیت شعله، و توزیع حرارت در محفظه. این یکی از مهمترین خروجی‌ها برای احتراق است.
  • Species Mass Fractions Contours: برای مشاهده توزیع سوخت، اکسیدکننده (O2) و محصولات احتراق (مانند CO2, H2O, CO). این کنتورها به درک میزان اختلاط، مصرف سوخت و تولید محصولات کمک می‌کنند.
  • Velocity Contours/Vectors: برای مشاهده الگوی جریان، مناطق با سرعت بالا/پایین و تشکیل گردابه‌ها (Recirculation Zones) که در تثبیت شعله نقش دارند.
  • Streamlines: برای ردیابی مسیر ذرات سیال و مشاهده الگوهای جریان.
  • Plots (نمودارها):
  • X-Y Plots: رسم پروفایل‌های دما، سرعت، کسرهای جرمی در طول خطوط یا مقاطع خاص در محفظه.
  • Report Definitions: محاسبه میانگین دما در خروجی، دبی جرمی محصولات احتراق، و نرخ تولید حرارت کل (Total Heat Release Rate) در محفظه.

ب. Quantitative Analysis (تحلیل کمی):

  • Flame Characteristics:
  • Flame Location and Shape: موقعیت، طول و شکل شعله (مثلاً شعله دیفیوژن یا پیش‌مخلوط) را بر اساس کنتورهای دما و کسرهای جرمی تعیین کنید.
  • Flame Temperature: حداکثر دمای شعله.
  • Heat Release Rate: نرخ کل تولید حرارت در محفظه، که نشان‌دهنده توان احتراق است.
  • Emissions (انتشارات): در صورت مدل‌سازی، می‌توانید نرخ تولید آلاینده‌هایی مانند CO (مونوکسید کربن) و NOx (اکسیدهای نیتروژن) را تحلیل کنید.
  • Pressure Drop: اختلاف فشار بین ورودی و خروجی محفظه، که برای طراحی آئرودینامیکی مهم است.
  • Efficiency: برآورد بازده احتراق.

با دقت در تنظیمات و تحلیل جامع نتایج، می‌توان به درک عمیقی از عملکرد حرارتی و سیالاتی محفظه احتراق دو بعدی دست یافت و طراحی آن را بهبود بخشید.

کلیدواژه ها : شبیه سازی احتراق-Combustion Simulation-تحلیل احتراق-Combustion Analysis-محفظه دو بعدی-2D Chamber-انسیس فلوئنت-ANSYS Fluent-مدل سازی احتراق-Combustion Modeling-تنظیمات حلگر-Solver Setup-مدل آشفتگی-Turbulence Model-Species Transport-مدل EDM-EDM Model-مدل EDC-EDC Model-شرایط مرزی-Boundary Conditions-کسر جرمی-Mass Fraction-معادله انرژی-Energy Equation-همگرایی-Convergence-پس پردازش-Post-processing-کنتور دما-Temperature Contours-کنتور گونه ها-Species Contours-شعله-Flame-کیفیت مش-Mesh Quality-