اجباری و جریان در عبور از یک سیلندر نیم دایره ای با انسیس فلوئنت

شبیه‌سازی و تحلیل انتقال حرارت همرفت طبیعی و تابش در ANSYS Fluent

در بسیاری از کاربردهای مهندسی، انتقال حرارت همرفت طبیعی (Natural Convection) و تابش (Radiation) نقش حیاتی ایفا می‌کنند، به ویژه در سیستم‌هایی که جریان سیال به طور خودبه‌خودی و بدون پمپ یا فن، به دلیل اختلاف چگالی ناشی از گرادیان دما، آغاز می‌شود. تابش نیز در دماهای بالا یا در سیالاتی با خواص تابشی قابل توجه، یک مکانیزم انتقال حرارت غالب است.

1. همرفت طبیعی (Natural Convection)

همرفت طبیعی زمانی رخ می‌دهد که اختلاف دما در سیال باعث ایجاد اختلاف چگالی و در نتیجه نیروی بویانسی (Buoyancy Force) شود. این نیروی بویانسی، سیال گرم‌تر (کم‌چگال‌تر) را به سمت بالا و سیال سردتر (پرچگال‌تر) را به سمت پایین حرکت می‌دهد و یک جریان خودکار ایجاد می‌کند.

تنظیمات در ANSYS Fluent:

1. فعال‌سازی معادله انرژی (Energy Equation):

• Models -> Energy -> On. این معادله برای حل میدان دما و در نتیجه گرادیان‌های چگالی ضروری است.

1. فعال‌سازی گرانش (Gravity):

• General -> Gravity. گرانش را فعال کرده و جهت و مقدار آن را مشخص کنید. مثلاً برای نیروی بویانسی در جهت عمودی، -9.81 m/s^2 را در جهت Y یا Z (بسته به جهت‌گیری هندسه) وارد کنید.

1. مدل چگالی سیال (Fluid Density Model): این مهم‌ترین گام برای مدل‌سازی همرفت طبیعی است.

• Materials -> Fluid -> air (یا هر سیال دیگر).
• Properties -> Density.
• Boussinesq (بوسینسک):
• کاربرد: برای اختلاف دماهای کوچک تا متوسط که تغییرات چگالی ناچیز است. در این مدل، چگالی فقط در جمله منبع معادله مومنتوم (جمله بویانسی) تابع دما در نظر گرفته می‌شود، در حالی که در سایر معادلات ثابت فرض می‌شود. این فرض باعث سرعت بخشیدن به همگرایی می‌شود.
• پارامترها: نیاز به Thermal Expansion Coefficient (ضریب انبساط حرارتی) دارد. Fluent معمولاً آن را از داده‌های ثابت سیال محاسبه می‌کند یا می‌توانید دستی وارد کنید. نیاز به Operating Temperature (دمای عملیاتی) نیز دارد که دمای مرجع برای محاسبه اختلاف چگالی است.
• Incompressible Ideal Gas (گاز ایده‌آل غیرقابل فشرده):
• کاربرد: برای اختلاف دماهای بزرگتر که فرض Boussinesq دیگر معتبر نیست. در این مدل، چگالی سیال به صورت rho = P / (R * T) یا rho = P_op / (R * T) (با فشار عملیاتی) مدل می‌شود. این دقیق‌تر است اما ممکن است همگرایی را کمی دشوارتر کند.
• User-Defined Function (UDF): برای تعریف روابط چگالی پیچیده‌تر.

1. مدل چسبندگی (Viscous Model):

• برای همرفت طبیعی، عدد رایلی (Rayleigh Number) معیاری برای تعیین آرام یا آشفته بودن جریان است.
• Laminar (آرام): برای اعداد رایلی پایین.
• Turbulence Model: برای اعداد رایلی بالا (مثلاً Ra > ${10}^9$109). مدل‌های k-epsilon (Realizable) یا k-omega (SST) گزینه‌های مناسبی هستند.

شرایط مرزی (Boundary Conditions):

• دیواره‌های گرم/سرد (Hot/Cold Walls): باید دما (Temperature) یا شار حرارتی (Heat Flux) روی سطوحی که باعث اختلاف دما می‌شوند، مشخص شود (مانند سطح سیلندر نیم‌دایره‌ای).
• دیواره‌های عایق (Insulated Walls): Heat Flux = 0 یا Adiabatic را برای دیواره‌هایی که انتقال حرارت از آن‌ها مورد نظر نیست، تنظیم کنید.
• مرزهای خارجی دامنه: می‌توانند Pressure Outlet (با دمای برگشت جریان) یا Wall یا Symmetry باشند، بسته به طراحی دامنه.

2. تابش (Radiation)

انتقال حرارت تابشی به تبادل انرژی الکترومغناطیسی بین سطوح (Surface-to-Surface) و/یا بین سطوح و سیال (Surface-to-Volume) و/یا داخل سیال (Volume-to-Volume) اشاره دارد.

تنظیمات در ANSYS Fluent:

1. فعال‌سازی معادله انرژی: برای حل میدان دما که لازمه تابش است، ضروری است.
2. فعال‌سازی مدل تابش:

• Models -> Radiation.
• انتخاب مدل:
• Surface-to-Surface (S2S):
• کاربرد: فقط برای تبادل تابش بین سطوح در یک محیط شفاف و غیرتابشی. برای هندسه‌های داخلی (مثلاً بین دیواره‌های یک محفظه) مناسب است.
• محدودیت: برای محیط‌های سیال تابشی مناسب نیست. نیاز به محاسبه View Factor دارد که ممکن است پرهزینه باشد.
• Discrete Ordinates (DO):
• کاربرد: یکی از جامع‌ترین و پرکاربردترین مدل‌ها. برای محیط‌های تابشی (Participating Media) و غیرتابشی، و تبادل تابش بین سطوح و سیال مناسب است.
• پارامترها: نیاز به Angular Discretization (تعداد زوایای گسسته‌سازی) و Pixelation (برای دقت View Factor در DO) دارد.
• P1 Model:
• کاربرد: برای محیط‌های تابشی اپتیکالی ضخیم که تابش در آن‌ها ایزوتروپیک است. ساده‌تر و ارزان‌تر از DO.
• محدودیت: برای محیط‌های اپتیکالی نازک یا غیر ایزوتروپیک مناسب نیست.
• Monte Carlo (MC):
• کاربرد: دقیق‌ترین مدل، به ویژه برای هندسه‌های پیچیده و تبادل تابش در محیط‌های تابشی ناهمگن.
• محدودیت: بسیار پرهزینه محاسباتی.
• Rosseland Model:
• کاربرد: برای محیط‌های اپتیکالی بسیار ضخیم و شرایطی که تابش می‌تواند به عنوان یک پدیده انتشار در نظر گرفته شود.

1. خواص تابشی مواد (Radiation Properties):

• Materials -> Fluid (یا Solid).
• Properties -> Absorption Coefficient و Scattering Coefficient. این پارامترها برای سیالات تابشی (مانند گازهای احتراق) ضروری هستند. اگر سیال شفاف است (مانند هوا در دمای معمولی)، این مقادیر صفر در نظر گرفته می‌شوند.
• Wall Boundary Conditions: Emissivity (گسیلندگی) سطح باید مشخص شود. این مقدار بین 0 تا 1 است و نشان‌دهنده توانایی سطح در گسیل و جذب تابش است.

3. شبیه‌سازی و تحلیل همزمان

هنگامی که همرفت طبیعی (با فعال‌سازی گرانش و مدل چگالی مناسب) و مدل تابش (به همراه معادله انرژی) فعال می‌شوند، Fluent به طور خودکار این پدیده‌ها را با هم حل می‌کند. این بدان معناست که تابش بر میدان دما تأثیر می‌گذارد و میدان دما بر چگالی سیال و در نتیجه نیروی بویانسی و الگوی جریان تأثیر می‌گذارد.

تحلیل نتایج (Post-Processing):

• کنتورهای دما (Temperature Contours): برای مشاهده توزیع دما در دامنه سیال و روی سطوح.
• بردارهای سرعت (Velocity Vectors) و خطوط جریان (Streamlines): برای مشاهده الگوهای جریان ناشی از بویانسی (مثلاً صعود سیال گرم).
• شار حرارتی (Heat Flux): روی سطوح سیلندر برای بررسی میزان انتقال حرارت کل.
• تابش خالص (Net Radiation): می‌توانید شار حرارتی تابشی را به طور جداگانه روی سطوح بررسی کنید.
• عدد ناسلت (Nusselt Number): برای کمی‌سازی انتقال حرارت همرفتی (چه طبیعی و چه اجباری). Fluent می‌تواند عدد ناسلت محلی و میانگین را محاسبه کند.
• مقایسه سهم همرفت و تابش: با غیرفعال کردن یکی از مکانیزم‌ها به صورت مجزا، می‌توان سهم نسبی هر یک را در انتقال حرارت کلی تعیین کرد.

با تنظیم دقیق این مدل‌ها و شرایط مرزی، می‌توانید به تحلیل جامع و دقیقی از پدیده‌های همرفت طبیعی و تابش در سیستم مورد نظر خود، از جمله جریان و انتقال حرارت حول سیلندر نیم‌دایره‌ای، دست یابید.

کلیدواژه ها : همرفت طبیعی- Natural Convection- تابش- Radiation- ANSYS Fluent- معادله انرژی- Energy Equation- گرانش- Gravity- مدل چگالی- Density Model- Boussinesq- Incompressible Ideal Gas- Thermal Expansion Coefficient- Operating Temperature- User-Defined Function (UDF)- عدد رایلی- Rayleigh Number- مدل آشفتگی- Turbulence Model- k-epsilon- k-omega SST- مدل تابش- Radiation Model- Discrete Ordinates (DO)- Surface-to-Surface (S2S)- P1 Model- Monte Carlo Model- Rosseland Model- خواص تابشی- Radiation Properties- Absorption Coefficient- Scattering Coefficient- گسیلندگی- Emissivity- View Factor- نیروی بویانسی- Buoyancy Force- شار حرارتی- Heat Flux- عدد ناسلت- Nusselt Number- کانتور دما- Temperature Contours- بردارهای سرعت- Velocity Vectors.