مدلسازی جریان در لوله عایق در انسیس فلوئنت

مدلسازی جریان در لوله عایق شامل حل همزمان معادلات حاکم بر جریان سیال و انتقال حرارت است. این معادلات در ANSYS Fluent به شرح زیر پیاده‌سازی می‌شوند:

• معادلات بقای جرم، مومنتوم و انرژی در ناحیه سیال: این معادلات شامل اثرات همرفتی و نفوذی بوده و تغییرات سرعت، فشار و دما را در سیال توصیف می‌کنند.
• معادله بقای انرژی در ناحیه جامد (دیواره لوله و عایق): در نواحی جامد، انتقال حرارت به صورت هدایت اتفاق می‌افتد و معادله انرژی به شکل ساده‌تری (بدون ترم‌های جابجایی) حل می‌شود.
• مدل‌های آشفتگی (Turbulence Models): در اکثر کاربردهای صنعتی، جریان درون لوله آشفته است. انتخاب مدل آشفتگی مناسب (مانند $k-ϵ$k−ϵ ، $k-\omega$k−ω SST یا RSM) برای پیش‌بینی دقیق پروفیل‌های سرعت و دما و همچنین ضرایب انتقال حرارت همرفتی بسیار مهم است.
• شرایط مرزی درونی و بیرونی: انتقال حرارت بین سیال و سطح داخلی لوله، و همچنین بین سطح خارجی عایق و محیط، از طریق شرایط مرزی مناسب مدل‌سازی می‌شود که در ادامه به آن‌ها خواهیم پرداخت.

آماده‌سازی هندسه و مش‌بندی دقیق

اولین گام در هر شبیه‌سازی CFD، ایجاد هندسه دقیق و مش‌بندی مناسب است. در مسائل CHT، این مرحله به دلیل حضور مرزهای مشترک بین فازهای سیال و جامد، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

الف. تفکیک هندسه به نواحی سیال و جامد

• ناحیه سیال (Fluid Domain): باید تنها حجم اشغال شده توسط سیال درون لوله ترسیم شود.
• ناحیه جامد (Solid Domains): دیواره لوله و لایه عایق به عنوان نواحی جامد جداگانه ترسیم می‌شوند. در ANSYS DesignModeler یا SpaceClaim، اطمینان از به اشتراک‌گذاری توپولوژی (Shared Topology) بین این نواحی (سیال-دیواره لوله، دیواره لوله-عایق) حیاتی است. این کار تضمین می‌کند که در هنگام مش‌بندی، گره‌های مش در سطوح مشترک منطبق بوده و انتقال حرارت بین فازها به درستی مدل شود.

ب. اهمیت Named Selections

استفاده از Named Selections در مرحله هندسه یا مش‌بندی، مدیریت و اعمال شرایط مرزی در Fluent را بسیار آسان می‌کند. Named Selections ضروری عبارتند از:

• Inlet- (ورودی لوله برای سیال)
• Outlet- (خروجی لوله برای سیال)
• Pipe_Wall_Inner- (سطح داخلی دیواره لوله، مرز مشترک سیال و جامد)
• Pipe_Wall_Outer- (سطح خارجی دیواره لوله، مرز مشترک دیواره و عایق)
• Insulation_Outer_Surface- (سطح خارجی عایق، مرز مشترک عایق و محیط)
• Fluid_Domain- (کل ناحیه سیال)
• Pipe_Solid- (کل ناحیه جامد دیواره لوله)
• Insulation_Solid- (کل ناحیه جامد عایق)

ج. اصول مش‌بندی برای CHT

کیفیت مش‌بندی، به خصوص در نزدیکی مرزهای مشترک، تأثیر مستقیمی بر دقت و همگرایی حل دارد:

• مش سازمان‌یافته (Structured Mesh): در هندسه‌های ساده مانند لوله‌های مستقیم، استفاده از مش‌های چهارضلعی (2D) یا هگزاگونال (3D) توصیه می‌شود. این مش‌ها کیفیت بالایی دارند و خطاهای عددی را به حداقل می‌رسانند.
• لایه‌های مرزی (Inflation Layers): برای حل دقیق گرادیان‌های تند سرعت و دما در لایه مرزی سیال، اعمال لایه‌های بادی در نزدیکی Pipe_Wall_Inner ضروری است. تنظیم ضخامت اولین لایه (First Layer Thickness) بر اساس عدد y+ (معمولاً y+<1 برای مدل‌های آشفتگی با تفکیک کامل لایه مرزی یا 30<y+<100 برای مدل‌های دیواره تابع) بسیار مهم است. تعداد لایه‌ها و نرخ رشد آن‌ها باید به گونه‌ای باشد که لایه مرزی به طور کامل پوشش داده شود.
• مش‌بندی نواحی جامد: نواحی دیواره لوله و عایق نیز باید با کیفیت مناسبی مش‌بندی شوند تا گرادیان‌های دما در این نواحی به درستی مدل شود. اطمینان از یکنواختی اندازه المان‌ها در مرزهای مشترک (به دلیل Shared Topology) به حل پایدارتر کمک می‌کند.
• بررسی کیفیت مش (Mesh Quality Check): پس از مش‌بندی، حتماً کیفیت مش را با معیارهایی مانند Skewness (که باید کم باشد) و Orthogonal Quality (که باید بالا باشد) بررسی کنید. کیفیت نامطلوب مش می‌تواند منجر به واگرایی حل یا نتایج نادرست شود.

تنظیمات حلگر در ANSYS Fluent

پس از وارد کردن مش به Fluent، پیکربندی صحیح حلگر برای مسائل CHT ضروری است.

الف. مدل‌های فیزیکی (Physics Models)

1. General:

• Solver Type: معمولاً از Pressure-Based Solver برای جریان‌های با سرعت کمتر از ماخ ۰.۳ استفاده می‌شود. برای جریان‌های تراکم‌پذیر با سرعت بالا، Density-Based Solver مناسب‌تر است.
• Time: برای بررسی رفتار پایدار (Steady-State) یا وابسته به زمان (Transient).

1. Energy Equation: حتماً Energy Equation را فعال کنید، زیرا انتقال حرارت عنصر کلیدی در این شبیه‌سازی است.
2. Viscous Model (مدل آشفتگی): بسته به عدد رینولدز جریان، یکی از مدل‌های آشفتگی را انتخاب کنید. k-epsilon (Realizable یا Enhanced Wall Treatment)، k-omega SST (پیشنهاد شده برای جریان‌های داخلی و دارای لایه مرزی)، یا Reynolds Stress Model (RSM) از جمله گزینه‌های رایج هستند. انتخاب مدل آشفتگی به همراه تنظیمات مناسب لایه‌های بادی (بر اساس $y^{+}$y+) حائز اهمیت است.

ب. تعریف مواد (Materials)

• Fluid: خواص سیال (دانسیته، ویسکوزیته، گرمای ویژه، رسانایی حرارتی) را تعریف کنید. این خواص می‌توانند ثابت یا تابعی از دما باشند.
• Solid (Pipe): خواص حرارتی ماده دیواره لوله (رسانایی حرارتی، دانسیته، گرمای ویژه) را وارد کنید.
• Solid (Insulation): خواص حرارتی ماده عایق (رسانایی حرارتی، دانسیته، گرمای ویژه) را تعریف کنید.

ج. شرایط مرزی (Boundary Conditions)

شرایط مرزی باید برای تمام Named Selections که قبلاً ایجاد کرده‌اید، تعریف شوند:

• Inlet (ورودی):
• Velocity Inlet یا Mass Flow Inlet: برای تعریف سرعت یا دبی جرمی ورودی سیال.
• Temperature: دمای ورودی سیال.
• Turbulence Parameters: شدت آشفتگی و مقیاس طول (یا اعداد مربوط به مدل آشفتگی).
• Outlet (خروجی):
• Pressure Outlet: با یک فشار استاتیک گیج (معمولاً صفر) تعریف می‌شود.
• Pipe_Wall_Inner:
• این مرز به طور خودکار به عنوان Wall شناخته می‌شود. به دلیل Shared Topology، Fluent به طور خودکار انتقال حرارت کوپل شده (Coupled) را در این مرز اعمال می‌کند.
• Insulation_Outer_Surface:
• این مرز نیاز به تعریف نحوه تبادل حرارت با محیط اطراف دارد. گزینه‌های متداول عبارتند از:
• Convection: با تعریف ضریب انتقال حرارت همرفتی (Heat Transfer Coefficient) و دمای محیط خارجی (Free Stream Temperature).
• Radiation: اگر اثرات تشعشعی قابل توجه باشند، می‌توان مدل تشعشع (Radiation Model) را فعال کرده و شرایط مرزی تشعشعی را تعریف کرد.
• Fixed Temperature: اگر دمای سطح خارجی عایق معلوم باشد (کمتر رایج).
• Adiabatic: در صورت عدم تبادل حرارت (ایده‌آل).

د. روش‌های حل و همگرایی (Solution Methods and Convergence)

• Spatial Discretization:
• برای معادلات مومنتوم و انرژی، از طرح‌های Second Order Upwind استفاده کنید تا دقت حل بالا رود.
• برای فشار، PRESTO! یا Body Force Weighted می‌توانند مناسب باشند.
• Pressure-Velocity Coupling: از الگوریتم‌های SIMPLE، SIMPLEC یا PISO استفاده کنید. PISO برای حل‌های گذرا توصیه می‌شود.
• Residuals: معیارهای همگرایی (Convergence Criteria) را برای باقی‌مانده‌ها (Residuals) تنظیم کنید (معمولاً ${10}^{-4}$10−4 تا ${10}^{-6}$10−6 برای جرم، مومنتوم و انرژی). برای انرژی بهتر است مقدار کمتری مانند ${10}^{-6}$10−6 یا ${10}^{-7}$10−7 در نظر گرفته شود.
• مونیتورینگ: علاوه بر باقی‌مانده‌ها، پارامترهای فیزیکی مهم مانند دمای خروجی سیال، دبی حرارت از سطح عایق و افت فشار را نیز مونیتور کنید تا از پایداری و همگرایی کامل حل اطمینان حاصل شود.

تحلیل نتایج و پساپردازش

پس از اتمام حل، نتایج باید تحلیل و تفسیر شوند. ANSYS Fluent ابزارهای قدرتمندی برای پساپردازش (Post-Processing) ارائه می‌دهد:

• کانتورهای دما (Temperature Contours): توزیع دما در سیال، دیواره لوله و عایق را مشاهده کنید. این کانتورها به وضوح نحوه انتقال حرارت را نشان می‌دهند.
• پروفیل‌های سرعت (Velocity Profiles): پروفیل سرعت سیال را در مقاطع مختلف لوله بررسی کنید تا از توسعه کامل جریان (Fully Developed Flow) اطمینان حاصل شود.
• جریان حرارت (Heat Flux): دبی حرارت در مرزهای مشترک (مثلاً از سطح خارجی عایق به محیط) را محاسبه کنید. این پارامتر نشان‌دهنده کارایی عایق است.
• افت فشار (Pressure Drop): افت فشار در طول لوله را برای محاسبه توان پمپاژ مورد نیاز بررسی کنید.
• خطوط جریان (Streamlines): برای تجسم مسیر حرکت سیال و شناسایی نواحی احتمالی جدایش یا گردابه‌ها.
• گزارش‌گیری (Reports): محاسبه متوسط دما، متوسط سرعت، دبی حرارت کلی و سایر پارامترهای کمی مورد نیاز.

کلیدواژه ها : مدلسازی جریان-Flow Modeling-لوله عایق-Insulated Pipe-انسیس فلوئنت-ANSYS Fluent-انتقال حرارت-Heat Transfer-CHT-Conjugate Heat Transfer-هندسه-Geometry-مش‌بندی-Meshing-Shared Topology-لایه‌های مرزی-Inflation Layers-y-plus-کیفیت مش-Mesh Quality-Skewness-Orthogonal Quality-حلگر-Solver-مدل‌های آشفتگی-Turbulence Models-معادله انرژی-Energy Equation-مواد-Materials-شرایط مرزی-Boundary Conditions-Named Selections-Inlet-Outlet-Wall-Convection-تشعشع-Radiation-روش‌های حل-Solution Methods-همگرایی-Convergence-Residuals-پساپردازش-Post-Processing-کانتور دما-Temperature Contours-افت فشار-Pressure Drop-Heat Flux-