شبیه‌سازی جریان در لوله‌های عایق، یک مسئله کلاسیک انتقال حرارت کوپل شده (Conjugate Heat Transfer - CHT) است. این نوع مسائل نیازمند حل همزمان معادلات بقای جرم، مومنتوم و انرژی در ناحیه سیال (هوا) و ناحیه جامد (دیواره لوله و عایق) هستند. فلوئنت از طریق مرزهای مشترک کوپل شده (Coupled Walls) که در مرحله مش‌بندی با استفاده از Shared Topology تعریف شده‌اند، به طور خودکار تبادل حرارت را مدل‌سازی می‌کند.

۱. تنظیمات عمومی حلگر (General Settings)

  • Solver Type: برای جریان‌های با سرعت پایین‌تر از ۰.۳ ماخ که تراکم‌پذیری هوا اهمیت چندانی ندارد، Pressure-Based Solver توصیه می‌شود.
  • Time Formulation:
  • Steady-State: اگر هدف، دستیابی به یک حالت پایدار حرارتی و هیدرودینامیکی (شرایط کاری بلندمدت) باشد.
  • Transient: اگر هدف، بررسی نحوه گرم شدن یا سرد شدن سیستم در طول زمان، یا مدلسازی شروع کار سیستم باشد.

۲. فعال‌سازی و انتخاب مدل‌های فیزیکی (Models)

مدل فیزیکی تنظیمات/توضیحات
Energy Equation باید فعال شود (On) تا معادلات انتقال حرارت حل شوند و میدان دمایی در هر دو ناحیه سیال و جامد به‌دست آید.
Viscous (Turbulence) انتخاب مدل آشفتگی بر اساس عدد رینولدز جریان.
Turbulence Model Selection k−ωk-\omega SST (Shear Stress Transport): اغلب برای جریان‌های داخلی و لایه‌های مرزی (به ویژه اگر y+<5y^+ < 5y+<5 باشد) به دلیل دقت بالا در پیش‌بینی جدایش جریان و گرادیان‌های نزدیک دیواره توصیه می‌شود. k−ϵk-\epsilonRealizable: یک گزینه قوی، متعادل و کم‌هزینه برای جریان‌های آشفته داخلی است.
Radiation Model در صورتی که دمای سطوح لوله و عایق به حدی بالا باشد که تشعشع (Radiation) یک مکانیزم مهم انتقال حرارت باشد (مانند دمای بالاتر از ۱۰۰ درجه سانتیگراد)، مدل‌هایی مانند DO (Discrete Ordinates) فعال می‌شوند.

۳. تعریف مواد و خواص (Materials)

خواص مواد تأثیر مستقیم بر توزیع دما و دبی حرارت دارند و باید بر اساس دما ثابت یا متغیر (با استفاده از توابع یا داده‌های جدولی) تعریف شوند:

  • Fluid (هوا): تعریف دانسیته (ρ\rhoρ)، ویسکوزیته دینامیکی (μ\muμ)، گرمای ویژه (CpC_pCp​)، و رسانایی حرارتی (kfluidk_{fluid}kfluid​).
  • Solid (دیواره لوله): تعریف دانسیته، گرمای ویژه، و رسانایی حرارتی (kpipek_{pipe}kpipe​). (معمولاً فلز با رسانایی حرارتی بالا).
  • Solid (عایق): تعریف دانسیته، گرمای ویژه، و رسانایی حرارتی (kinsulationk_{insulation}kinsulation​). (رسانایی حرارتی عایق باید به طور قابل توجهی پایین‌تر از دیواره لوله باشد).

H2: شرایط مرزی و دامنه حل (Boundary Conditions and Solution Domain)

تعیین دقیق شرایط مرزی با استفاده از Named Selections ایجاد شده در مرحله هندسه، برای مدلسازی صحیح تبادل حرارت با محیط و ورود/خروج جریان حیاتی است.

مرز نوع شرط مرزی پارامترهای اصلی
Inlet (ورودی سیال) Velocity Inlet یا Mass Flow Inlet سرعت ورودی سیال (VinV_{in}Vin​) یا دبی جرمی و مهم‌تر از آن، دمای ورودی سیال (TinletT_{inlet}Tinlet​) و مشخصات آشفتگی (مانند شدت آشفتگی و طول مقیاس).
Outlet (خروجی سیال) Pressure Outlet فشار گیج صفر (Gauge Pressure). در صورتی که جریان برگشتی (Reverse Flow) رخ ندهد، نیازی به تعریف دمای خروجی نیست.
Pipe_Wall_Inner Coupled Wall (به صورت خودکار توسط Fluent) این مرز توسط Fluent به عنوان یک مرز کوپل شده بین سیال و ناحیه جامد دیواره لوله شناخته می‌شود. نیازی به تنظیم دستی دما یا شار حرارتی نیست.
Insulation_Outer_Surface Convection یا Heat Flux Convection: تعریف ضریب انتقال حرارت همرفتی محیط (henvh_{env}henv​) و دمای محیط اطراف (TenvT_{env}Tenv​). اگر تشعشع فعال باشد، تنظیمات آن نیز در اینجا اعمال می‌شود. Heat Flux: در صورتی که میزان اتلاف حرارت مشخص و ثابت باشد.
Zones Fluid و Solid باید مطمئن شد که نواحی Fluid_Domain, Pipe_Solid, و Insulation_Solid به ترتیب به عنوان ناحیه سیال (با ماده هوا) و نواحی جامد (با مواد لوله و عایق) تعریف شده‌اند.

H3: روش‌های حل و کنترل همگرایی (Solution Methods and Convergence)

۱. روش‌های عددی (Numerical Methods)

  • Pressure-Velocity Coupling: استفاده از الگوریتم‌های همبستگی فشار-سرعت مانند SIMPLE یا SIMPLEC برای حالت پایدار.
  • Spatial Discretization: برای دستیابی به دقت بالا در حل گرادیان‌های دما و سرعت:
  • Momentum, Energy, Turbulence: استفاده از طرح‌های Second Order Upwind.

۲. مقداردهی اولیه و همگرایی (Initialization and Convergence)

  • Initialization: استفاده از Hybrid Initialization و تنظیم دمای اولیه در کل دامنه بر اساس دمای محیط یا دمای ورودی سیال.
  • Residuals (باقیمانده‌ها): نظارت بر باقیمانده‌های معادلات پیوستگی (Continuity)، مومنتوم (X, Y, Z)، انرژی، و آشفتگی. برای جریان‌های داخلی، رسیدن به مقادیر 10−410^{-4} یا 10−510^{-5} برای تمام باقیمانده‌ها (به جز انرژی که معمولاً 10−610^{-6} لازم است) کافی است.
  • Physical Monitoring: مهم‌تر از کاهش باقیمانده‌ها، پایش متغیرهای فیزیکی کلیدی است. باید Monitor Points برای موارد زیر تعریف شوند تا اطمینان حاصل شود که حل به همگرایی فیزیکی رسیده است:
  • دمای متوسط خروجی سیال (Toutlet,avgT_{outlet, avg}​).
  • دبی حرارت (Heat Flux) در سطح خارجی عایق (Insulation_Outer_Surface).

H4: تحلیل و پساپردازش نتایج (Post-Processing)

تحلیل نتایج به منظور ارزیابی عملکرد سیستم از نظر حفظ انرژی و کارایی هیدرودینامیکی انجام می‌شود.

۱. توزیع دما و گرادیان‌ها

  • کانتورهای دما (Temperature Contours): مشاهده توزیع دما در برش‌های مختلف لوله، دیواره و عایق. این کانتورها، مسیر اتلاف حرارت از مرکز جریان سیال تا محیط خارجی را به وضوح نشان می‌دهند.
  • پلات‌های X-Y: رسم پروفایل دما و سرعت در طول مسیر یا در راستای شعاعی برای مشاهده توسعه کامل حرارتی و هیدرودینامیکی جریان.

۲. ارزیابی عملکرد هیدرودینامیکی (افت فشار)

  • محاسبه افت فشار (ΔP\Delta P): محاسبه اختلاف فشار استاتیک بین ورودی و خروجی برای تعیین میزان انرژی پمپاژ لازم و ارزیابی کارایی هیدرودینامیکی لوله.

۳. ارزیابی عملکرد حرارتی (اتلاف حرارت)

  • محاسبه شار حرارتی (Heat Flux): مهم‌ترین خروجی، محاسبه شار حرارتی کل عبوری از سطح خارجی عایق (Insulation_Outer_Surface) است. این مقدار، میزان واقعی اتلاف حرارت به محیط اطراف را تعیین می‌کند.

۴. نتایج آشفتگی

  • بررسی مقدار y+y^+ محاسبه شده در دیواره‌های لوله برای اطمینان از سازگاری با مدل آشفتگی انتخاب شده (مثلاً y+<1y^+ < 1 برای مدل‌های حل‌کننده لایه مرزی).

کلیدواژه ها : مدلسازی جریان-Flow Modeling-لوله عایق-Insulated Pipe-انسیس فلوئنت-ANSYS Fluent-انتقال حرارت-Heat Transfer-CHT-Conjugate Heat Transfer-Solver-Pressure-Based-Steady-State-Transient-معادله انرژی-Energy Equation-مدل‌های آشفتگی-Turbulence Models-k-omega SST-k-epsilon Realizable-تشعشع-Radiation-DO-Materials-شرایط مرزی-Boundary Conditions-Velocity Inlet-Pressure Outlet-Coupled Wall-Convection-Heat Flux-روش‌های حل-Solution Methods-SIMPLE-SIMPLEC-Second Order Upwind-همگرایی-Convergence-Residuals-پساپردازش-Post-Processing-کانتور دما-Temperature Contours-افت فشار-Pressure Drop-Heat Flux-y-plus-