در شبیه‌سازی‌های دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) که شامل پدیده‌های انتقال حرارت کوپل شده (CHT) هستند، مراحل ترسیم هندسه و مش‌بندی از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند. در مورد مدلسازی جریان در لوله عایق، چالش اصلی در دقت مدل‌سازی انتقال حرارت در مرزهای مشترک بین سیال و جامد، و همچنین بین لایه‌های مختلف جامد (دیواره لوله و عایق) نهفته است. یک هندسه دقیق و یک مش‌بندی با کیفیت بالا، به ویژه در این نواحی مرزی، تضمین‌کننده حل صحیح معادلات انرژی و مومنتوم و در نتیجه دستیابی به نتایج قابل اعتماد است. مش‌بندی ضعیف می‌تواند منجر به خطاهای عددی، واگرایی حل و پیش‌بینی‌های نادرست از توزیع دما، افت فشار و دبی حرارت شود.

مراحل ترسیم هندسه در ANSYS DesignModeler/SpaceClaim

ترسیم هندسه برای یک لوله عایق شامل سه ناحیه اصلی است: ناحیه سیال (مایع یا گاز درون لوله)، دیواره جامد لوله، و لایه جامد عایق. مراحل زیر باید با دقت دنبال شوند:

۱. تعریف ابعاد و ایجاد اجزا

  • ناحیه سیال (Fluid Domain): ابتدا، هندسه داخلی لوله که سیال در آن جریان دارد، ترسیم می‌شود. این ناحیه باید دقیقاً با ابعاد داخلی لوله مطابقت داشته باشد.
  • دیواره جامد لوله (Pipe Wall): سپس، دیواره خود لوله که معمولاً از جنس فلز است، به عنوان یک ناحیه جامد ترسیم می‌شود. این ناحیه بین شعاع داخلی و خارجی لوله قرار می‌گیرد.
  • لایه عایق (Insulation Layer): در نهایت، لایه عایق که معمولاً ضخامت بیشتری دارد، در اطراف دیواره خارجی لوله ترسیم می‌شود. این ناحیه از شعاع خارجی لوله تا شعاع خارجی عایق امتداد می‌یابد.

۲. به اشتراک‌گذاری توپولوژی (Shared Topology)

یکی از حیاتی‌ترین مراحل در ترسیم هندسه برای مسائل CHT در ANSYS، اطمینان از Shared Topology است. این ویژگی تضمین می‌کند که سطوح مشترک بین نواحی سیال و جامد (سطح داخلی لوله) و بین نواحی جامد مختلف (سطح بین دیواره لوله و عایق) به صورت یکپارچه شناخته شوند. به این معنا که گره‌های مش در این سطوح مشترک منطبق بر یکدیگر باشند. بدون Shared Topology، Fluent این مرزها را به عنوان مرزهای داخلی مستقل در نظر می‌گیرد که می‌تواند منجر به خطاهای شدید در انتقال حرارت شود.

  • در DesignModeler، پس از ترسیم تمام اجزا، باید از ابزار Form New Part یا Share برای گروه‌بندی تمام اجزا و فعال کردن Shared Topology اطمینان حاصل کنید.
  • در SpaceClaim، به طور پیش‌فرض هنگام ایجاد اجزا در یک سند، Shared Topology فعال است، اما همیشه باید آن را بررسی کرد.

۳. تعریف Named Selections

Named Selections ابزاری قدرتمند برای سازماندهی و اعمال شرایط مرزی در Fluent هستند. تعریف دقیق آن‌ها برای هر سطح و ناحیه مهم است:

  • Inlet: سطح ورودی سیال به لوله.
  • Outlet: سطح خروجی سیال از لوله.
  • Pipe_Wall_Inner: سطح داخلی دیواره لوله (مرز مشترک سیال و دیواره).
  • Pipe_Wall_Outer: سطح خارجی دیواره لوله (مرز مشترک دیواره و عایق).
  • Insulation_Outer_Surface: سطح خارجی عایق (مرز مشترک عایق و محیط خارجی).
  • Fluid_Domain: ناحیه حجمی که توسط سیال اشغال شده است.
  • Pipe_Solid: ناحیه حجمی دیواره لوله.
  • Insulation_Solid: ناحیه حجمی لایه عایق.
  • Symmetry (در صورت شبیه‌سازی دو بعدی یا بخشی از هندسه): مرزهای تقارن.

استراتژی‌های مش‌بندی برای لوله عایق

مش‌بندی باید به گونه‌ای انجام شود که هم دقت حل را تضمین کند و هم کارایی محاسباتی را حفظ کند.

۱. انتخاب نوع مش (Mesh Type)

  • مش سازمان‌یافته (Structured Mesh): در لوله‌های مستقیم یا هندسه‌های ساده‌تر، استفاده از مش‌های چهارضلعی (در دو بعد) یا هگزاگونال (در سه بعد) به شدت توصیه می‌شود. این نوع مش‌ها کیفیت بسیار بالایی دارند و خطای عددی ناشی از گسسته‌سازی را به حداقل می‌رسانند.
  • مش سازمان‌نیافته (Unstructured Mesh): در هندسه‌های پیچیده‌تر که امکان تولید مش سازمان‌یافته وجود ندارد، می‌توان از مش‌های مثلثی (در دو بعد) یا تتراهدرال/پلی‌هدرال (در سه بعد) استفاده کرد. با این حال، باید توجه ویژه‌ای به کیفیت المان‌ها داشت.

۲. لایه‌های مرزی (Inflation Layers) در ناحیه سیال

برای حل دقیق گرادیان‌های تند سرعت و دما در نزدیکی دیواره لوله در ناحیه سیال، اعمال لایه‌های بادی (Inflation Layers) ضروری است.

  • Target Y+ Value: این پارامتر حیاتی، فاصله اولین سلول مش از دیواره را تعیین می‌کند.
  • برای مدل‌های آشفتگی که کل لایه مرزی را حل می‌کنند (مانند k-omega SST در حالت Low-Re Correction) یا حل‌های مستقیم عددی (DNS)، نیاز به y+<1y^+ < 1y+<1 است.
  • برای مدل‌های آشفتگی مبتنی بر توابع دیواره (Wall Functions) مانند k-epsilon استاندارد، 30<y+<10030 < y^+ < 10030<y+<100 مناسب است.
  • Number of Layers و Growth Rate: تعداد لایه‌ها و نرخ رشد آن‌ها باید به گونه‌ای انتخاب شوند که کل لایه مرزی سیال (حدوداً ۱۰ تا ۲۰ درصد شعاع لوله) پوشش داده شود و انتقال از لایه‌های نازک به مش اصلی (Bulk Mesh) به صورت تدریجی انجام گیرد.

۳. مش‌بندی نواحی جامد و دقت در مرزها

  • یکنواختی در مرزهای مشترک: به دلیل Shared Topology، مش‌بندی باید اطمینان حاصل کند که اندازه المان‌ها در سطوح مشترک بین سیال-دیواره و دیواره-عایق تا حد ممکن یکنواخت باشد. این امر به پایداری حل و انتقال دقیق گرادیان دما کمک می‌کند.
  • تفکیک کافی: در نواحی جامد نیز، تفکیک مش باید به اندازه کافی ریز باشد تا گرادیان‌های دما به درستی مدل شوند، به ویژه اگر رسانایی حرارتی مواد بسیار متفاوت باشد.

۴. بررسی کیفیت مش (Mesh Quality Check)

پس از تولید مش، انجام بررسی‌های کیفیت مش در ANSYS Meshing (یا نرم‌افزار مش‌بندی مورد استفاده) ضروری است:

  • Skewness (کج‌شدگی): این معیار نشان‌دهنده میزان انحراف المان از شکل ایده‌آل است. مقادیر بالا (نزدیک به ۱) نشان‌دهنده کیفیت پایین است و باید به شدت از آن‌ها اجتناب شود (معمولاً < 0.85 برای مش‌های چهارضلعی/هگزاگونال و < 0.95 برای مش‌های مثلثی/تتراهدرال).
  • Orthogonal Quality (کیفیت متعامد): این معیار نشان‌دهنده میزان عمود بودن لبه‌های سلول به وجوه آن است. مقادیر پایین (نزدیک به ۰) نشان‌دهنده کیفیت پایین است و باید تا حد امکان از آن‌ها دوری کرد (معمولاً > 0.15 برای مش‌های چهارضلعی/هگزاگونال).
  • Aspect Ratio (نسبت ابعاد): نسبت بزرگترین طول به کوچکترین طول یک المان. در لایه‌های بادی می‌تواند بالا باشد، اما در سایر نواحی باید در محدوده معقول (مثلاً < 50-100) نگه داشته شود.

۵. مطالعه استقلال از مش (Mesh Independence Study)

برای اطمینان از اینکه نتایج شبیه‌سازی به اندازه مش وابسته نیستند، انجام یک مطالعه استقلال از مش ضروری است. این کار شامل اجرای شبیه‌سازی با حداقل سه شبکه مش با تراکم متفاوت (یک مش نسبتاً درشت، یک مش متوسط، و یک مش ریزتر) و مقایسه پارامترهای کلیدی خروجی (مانند دمای خروجی سیال، دبی حرارت از عایق، افت فشار) است. زمانی که این پارامترها با ریزتر شدن مش تغییرات ناچیزی از خود نشان دهند، می‌توان گفت که نتایج از مش مستقل شده‌اند.

ترسیم هندسه دقیق و مش‌بندی با کیفیت، سنگ بنای یک شبیه‌سازی CFD موفق برای لوله‌های عایق است و بیشترین زمان و دقت را در مراحل پیش‌پردازش به خود اختصاص می‌دهد.

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-Aspect Ratio-مطالعه استقلال از مش-Mesh Independence Study-ANSYS DesignModeler-ANSYS SpaceClaim-Named Selections-Fluid Domain-Solid Domain-Pipe Wall-Insulation Layer