پس از ایجاد هندسه و مش کانال تهویه، یکی از مهم‌ترین مراحل در شبیه‌سازی سیستم‌های تهویه مطبوع (HVAC)، تعریف مدل فیزیکی و شرایط مرزی در محیط CFX-Pre است. در این مرحله مشخص می‌شود که هوا چگونه در کانال حرکت می‌کند، آیا جریان آرام یا آشفته است، انتقال حرارت چگونه محاسبه می‌شود و هوا با چه سرعت، دبی و دمایی وارد یا از کانال خارج خواهد شد.

در مسائل HVAC، علاوه بر جریان اجباری هوا، اثرات حرارتی و شناوری (Buoyancy) نیز ممکن است اهمیت داشته باشند. مستندات رسمی ANSYS نیز اشاره می‌کنند که بسیاری از مسائل HVAC تحت تأثیر شناوری هستند و CFX مدل‌های Full و Boussinesq را برای این منظور در اختیار کاربر قرار می‌دهد.

ایجاد دامنه سیال در CFX-Pre

پس از ورود مش به CFX-Pre، ابتدا باید یک Fluid Domain ایجاد شود. این دامنه مشخص می‌کند که معادلات جریان و در صورت فعال بودن انتقال حرارت، معادله انرژی در کدام ناحیه حل خواهند شد.

برای یک کانال تهویه ساده، معمولاً حجم داخلی کانال به‌عنوان دامنه سیال انتخاب می‌شود. اگر هدف، بررسی عملکرد یک سیستم HVAC در یک اتاق یا سالن باشد، می‌توان فضای داخلی را نیز در همان مدل قرار داد.

در این مرحله باید نوع سیال، شرایط اولیه، مدل جریان، انتقال حرارت و در صورت نیاز مدل شناوری مشخص شوند.

انتخاب ماده هوا

برای شبیه‌سازی سیستم‌های تهویه، ماده اصلی معمولاً Air است. انتخاب صحیح خواص هوا اهمیت زیادی دارد، زیرا چگالی، ویسکوزیته، ظرفیت حرارتی و رسانندگی حرارتی مستقیماً بر نتایج جریان و انتقال حرارت اثر می‌گذارند.

در مدل‌های ساده می‌توان از خواص استاندارد هوا استفاده کرد. اما اگر اختلاف دما زیاد باشد، باید وابستگی خواص هوا به دما و در صورت نیاز فشار نیز مورد توجه قرار گیرد.

این مسئله در مدل‌سازی شناوری اهمیت بیشتری پیدا می‌کند، زیرا تغییر چگالی هوا با دما می‌تواند نیروی شناوری ایجاد کند.

انتخاب حالت جریان پایا یا گذرا

در CFX می‌توان مسئله را به‌صورت Steady State یا Transient تعریف کرد.

در یک تحلیل پایا فرض می‌شود پس از گذشت زمان کافی، جریان و میدان دما به یک وضعیت ثابت می‌رسند. این حالت برای مطالعات اولیه کانال، افت فشار و توزیع دما بسیار مناسب است.

در مقابل، در تحلیل گذرا تغییرات جریان و دما با زمان نیز محاسبه می‌شوند. برای مثال، روشن شدن سیستم تهویه، تغییر ناگهانی دبی فن یا تغییر شرایط حرارتی محیط می‌تواند نیازمند تحلیل Transient باشد.

برای یک دوره مقدماتی HVAC، معمولاً شروع با مدل پایا انتخاب مناسبی است.

انتخاب مدل جریان Laminar یا Turbulent

یکی از مهم‌ترین تصمیم‌ها، تعیین رژیم جریان است. بسته به سرعت هوا، ابعاد کانال و خواص سیال، جریان می‌تواند آرام یا آشفته باشد.

در بسیاری از کانال‌های تهویه، سرعت و ابعاد کانال به گونه‌ای هستند که جریان در محدوده آشفته قرار می‌گیرد. در چنین شرایطی باید یک مدل Turbulence مناسب انتخاب شود.

انتخاب مدل آشفتگی باید بر اساس نوع جریان، هندسه و هدف تحلیل انجام شود و نباید صرفاً به دلیل استفاده از HVAC یک مدل خاص را به‌صورت ثابت انتخاب کرد.

در یکی از آموزش‌های رسمی ANSYS برای جریان اختلاطی، استفاده از مدل k-Epsilon همراه با Thermal Energy و شرایط مرزی ورودی، خروجی و دیواره نشان داده شده است.

تعریف مدل انتقال حرارت

اگر هدف تنها بررسی حرکت هوا باشد، ممکن است نیازی به حل میدان دما نباشد. اما در اغلب تحلیل‌های HVAC، دما یکی از متغیرهای اصلی مسئله است.

با فعال کردن Thermal Energy، تغییرات انرژی حرارتی هوا در اثر جریان، اختلاط و انتقال حرارت محاسبه می‌شود.

برای مثال، در یک سیستم سرمایشی می‌توان هوای سرد را از یک ورودی وارد کرد و تغییر دمای آن را هنگام اختلاط با هوای گرم محیط بررسی نمود.

مستندات ANSYS در مثال‌های HVAC نیز استفاده از Thermal Energy را در کنار مدل جریان و شرایط مرزی حرارتی نشان می‌دهند.

فعال کردن اثر شناوری

در شبیه‌سازی HVAC، Buoyancy می‌تواند نقش مهمی داشته باشد؛ به‌خصوص زمانی که اختلاف دمای محسوسی در فضای مورد بررسی وجود داشته باشد.

برای مثال، هوای گرم تمایل دارد به سمت بالا حرکت کند و هوای سردتر می‌تواند به سمت پایین جابه‌جا شود. در یک اتاق دارای دریچه تهویه، این پدیده می‌تواند الگوی جریان را به‌طور محسوسی تغییر دهد.

در CFX، دو رویکرد اصلی برای مدل‌سازی شناوری وجود دارد:

Full Buoyancy که برای شرایطی استفاده می‌شود که چگالی سیال تابع دما یا فشار باشد.

Boussinesq که برای شرایطی کاربرد دارد که تغییرات چگالی در محدوده موردنظر کوچک بوده و اثر اصلی آن در نیروی شناوری لحاظ شود.

انتخاب مدل مناسب باید بر اساس خواص ماده و دامنه تغییرات دما انجام شود.

تعریف Gravity

فعال کردن شناوری بدون توجه به جهت گرانش کامل نیست. بنابراین در مدل‌هایی که Buoyancy اهمیت دارد، جهت Gravity نیز باید مشخص شود.

جهت گرانش باید با دستگاه مختصات مدل سازگار باشد. اگر جهت گرانش اشتباه تعریف شود، جهت حرکت طبیعی هوای گرم و سرد نیز به‌درستی محاسبه نخواهد شد.

در مدل‌های کانال افقی که اثر شناوری ناچیز است، ممکن است این اثر اهمیت چندانی نداشته باشد؛ اما در شبیه‌سازی اتاق، سالن یا کانال‌های عمودی باید با دقت بیشتری بررسی شود.

تعریف ورودی کانال

یکی از مهم‌ترین شرایط مرزی، Inlet است. در CFX می‌توان برای ورودی از مشخصاتی مانند سرعت، دبی جرمی و جهت جریان استفاده کرد.

در یک مثال رسمی HVAC، ورودی هوا با Mass Flow Rate تعریف شده و جهت جریان و دمای استاتیک نیز به‌صورت جداگانه مشخص شده است.

برای یک کانال ساده، اگر دبی واقعی فن مشخص باشد، تعریف Mass Flow Rate می‌تواند انتخاب مناسبی باشد. اگر سرعت متوسط در ورودی مشخص باشد، می‌توان از سرعت نیز استفاده کرد.

نکته مهم این است که مقدار ورودی باید با اطلاعات واقعی سیستم سازگار باشد.

تعریف دبی جرمی ورودی

Mass Flow Rate یکی از پارامترهای مهم در مدل‌سازی کانال‌های HVAC است.

دبی جرمی مشخص می‌کند چه مقدار جرم هوا در واحد زمان وارد دامنه می‌شود. این کمیت به‌صورت مستقیم با عملکرد فن و ظرفیت تهویه ارتباط دارد.

در صورت استفاده از دبی جرمی، باید جهت ورود جریان نیز صحیح باشد. در مستندات CFX، دبی جرمی و سرعت نرمال از گزینه‌های متداول برای مشخص کردن شرایط ورودی معرفی شده‌اند.

تعریف سرعت ورودی

در شرایطی که سرعت هوا در خروجی فن یا دریچه مشخص است، می‌توان از Normal Speed یا مؤلفه‌های سرعت استفاده کرد.

در کانال‌های دارای هندسه ساده، سرعت عمود بر سطح ورودی معمولاً انتخاب مناسبی است. اما اگر جریان با زاویه وارد کانال شود، باید جهت جریان نیز به‌درستی تعریف شود.

در سیستم‌های واقعی HVAC، توزیع سرعت ممکن است روی سطح ورودی یکنواخت نباشد. در این شرایط می‌توان از Profile یا داده‌های ورودی واقعی برای تعریف توزیع سرعت استفاده کرد. CFX امکان استفاده از Profile Boundary Conditions را نیز فراهم می‌کند.

تعریف دمای هوای ورودی

در صورت فعال بودن انتقال حرارت، دمای هوا در ورودی باید مشخص شود.

برای مثال، اگر یک سیستم سرمایشی هوای سرد را وارد کانال می‌کند، دمای ورودی باید مطابق شرایط واقعی سیستم تعریف شود. در یک مدل دارای هوای گرم، مقدار دمای ورودی متفاوت خواهد بود.

راهنمای CFX تأکید می‌کند که وقتی انتقال حرارت در مدل فعال می‌شود، شرایط مرزی باید از نظر دما نیز تکمیل و به‌روزرسانی شوند.

تعریف آشفتگی در ورودی

اگر مدل Turbulence فعال باشد، باید شرایط مربوط به آشفتگی در ورودی نیز تعیین شود.

این اطلاعات می‌توانند بر اساس شدت آشفتگی، مقیاس طولی یا پارامترهای مرتبط با مدل انتخاب‌شده تعریف شوند.

انتخاب نادرست پارامترهای آشفتگی ورودی ممکن است باعث ایجاد میدان جریان غیرواقعی، به‌خصوص در نزدیکی ورودی، شود.

بنابراین بهتر است اطلاعات مربوط به فن، دریچه یا کانال واقعی در صورت در دسترس بودن برای تعیین شرایط ورودی استفاده شوند.

تعریف خروجی کانال

در انتهای کانال معمولاً یک Outlet تعریف می‌شود. شرایط خروجی باید با نوع سیستم واقعی سازگار باشد.

برای مثال، اگر فشار downstream مشخص باشد، می‌توان از شرط فشار استفاده کرد. در یک سیستم تهویه که کانال به فضای آزاد یا اتاق متصل است، ممکن است تعریف خروجی به شکل متفاوتی انجام شود.

انتخاب صحیح محل خروجی نیز اهمیت دارد؛ زیرا قرار دادن خروجی بسیار نزدیک به یک زانو، انشعاب یا ناحیه پیچیده می‌تواند روی پایداری و کیفیت حل تأثیر بگذارد.

استفاده از Opening در سیستم‌های HVAC

در برخی مدل‌های تهویه، جهت جریان در یک سطح ممکن است از قبل کاملاً مشخص نباشد. در چنین شرایطی Opening می‌تواند گزینه مناسبی باشد.

Opening امکان ورود یا خروج جریان را متناسب با شرایط میدان فراهم می‌کند و برای برخی مدل‌های HVAC که ارتباط کانال با فضای اطراف دارند، کاربردی است.

با این حال، در یک کانال ساده که جهت جریان مشخص و قطعی است، معمولاً استفاده از Inlet و Outlet شفاف‌تر و مناسب‌تر خواهد بود.

CFX انواع Boundary مانند Inlet، Outlet، Opening، Wall و Symmetry را در اختیار کاربر قرار می‌دهد.

تعریف دیواره کانال

دیواره‌های کانال معمولاً به‌صورت Wall تعریف می‌شوند. در حالت معمول برای جریان داخلی، شرط No-Slip باعث می‌شود سرعت سیال در مجاورت دیواره نسبت به دیواره ثابت در نظر گرفته شود.

CFX دیواره را به‌عنوان یک مرز نفوذناپذیر برای جریان در نظر می‌گیرد و امکان تعریف شرایط مربوط به شار حرارتی و دمای دیواره را نیز فراهم می‌کند.

در یک کانال تهویه، باید مشخص شود که دیواره از نظر حرارتی عایق است یا با محیط اطراف تبادل حرارت دارد.

دیواره آدیاباتیک

اگر هدف اولیه بررسی جریان هوا باشد و انتقال حرارت از دیواره قابل صرف‌نظر باشد، می‌توان دیواره را Adiabatic در نظر گرفت.

در این حالت، شار حرارتی عبوری از دیواره صفر خواهد بود و تغییرات دمای هوا عمدتاً ناشی از شرایط ورودی و اختلاط جریان خواهد بود.

این فرض برای یک مدل آموزشی ساده می‌تواند مناسب باشد، اما در تحلیل واقعی کانال باید مشخص شود که عایق‌کاری و شرایط محیطی تا چه اندازه این فرض را توجیه می‌کنند.

دیواره با دمای مشخص

در برخی سیستم‌ها می‌توان دمای سطح کانال را تقریباً مشخص در نظر گرفت. در این حالت، Fixed Temperature روی دیواره تعریف می‌شود.

این روش برای مطالعات ساده انتقال حرارت مفید است؛ زیرا اثر یک سطح گرم یا سرد بر جریان هوا را می‌توان مستقیماً بررسی کرد.

CFX برای دیواره‌ها شرایط حرارتی مختلفی از جمله Adiabatic، Fixed Temperature، Heat Flux و Heat Transfer Coefficient ارائه می‌کند.

تعریف شار حرارتی دیواره

اگر مقدار Heat Flux از قبل مشخص باشد، می‌توان آن را به‌عنوان شرط حرارتی دیواره تعریف کرد.

این روش زمانی کاربرد دارد که میزان حرارت ورودی یا خروجی از سطح به‌صورت تجربی یا طراحی مشخص باشد.

در مقابل، اگر دمای دیواره مشخص باشد، Fixed Temperature انتخاب طبیعی‌تری خواهد بود.

انتقال حرارت بین کانال و محیط

در یک مدل دقیق‌تر ممکن است بخواهیم انتقال حرارت واقعی از دیواره کانال به محیط را شبیه‌سازی کنیم.

در این شرایط می‌توان از Heat Transfer Coefficient یا مدل‌سازی مستقیم ناحیه جامد استفاده کرد. اگر خود دیواره کانال نیز به‌صورت یک دامنه جامد مدل شود، امکان بررسی انتقال حرارت هدایتی در دیواره و انتقال حرارت جابه‌جایی در هوا فراهم می‌شود.

این رویکرد می‌تواند به یک مدل Conjugate Heat Transfer تبدیل شود.

شرایط اولیه جریان

علاوه بر شرایط مرزی، باید شرایط اولیه میدان نیز مشخص شوند. در یک مدل پایا، مقدار اولیه سرعت، فشار و دما می‌تواند بر روند رسیدن Solver به همگرایی اثر بگذارد.

انتخاب یک میدان اولیه معقول می‌تواند فرآیند حل را پایدارتر کند، اما شرایط اولیه نباید با شرایط مرزی اشتباه گرفته شوند.

CFX امکان تعریف شرایط اولیه سرعت و سایر متغیرهای میدان را در بخش Initialization فراهم می‌کند.

تعریف Reference Pressure

در مدل جریان هوا، Reference Pressure نیز باید با شرایط فیزیکی مسئله سازگار باشد.

این موضوع به‌خصوص زمانی اهمیت پیدا می‌کند که خواص هوا تابع فشار باشند یا اثر شناوری در مدل فعال شده باشد.

در مسائل HVAC معمولی، فشار مرجع اغلب در محدوده فشار محیط انتخاب می‌شود، اما مقدار دقیق آن باید بر اساس شرایط واقعی مسئله تعیین شود.

بررسی سازگاری شرایط مرزی

پس از تعریف تمام Boundaryها، باید بررسی شود که شرایط تعریف‌شده با یکدیگر سازگار هستند.

برای یک کانال ساده باید حداقل موارد زیر مشخص باشند:

  • یک یا چند ورودی

  • یک یا چند خروجی

  • دیواره‌های کانال

  • دمای ورودی در صورت فعال بودن انتقال حرارت

  • شرایط آشفتگی در صورت استفاده از مدل Turbulence

  • جهت جریان

  • شرایط حرارتی دیواره‌ها در صورت نیاز

CFX نیز برای تمام نواحی مرزی دامنه به Boundary Condition نیاز دارد و در صورت باقی ماندن سطوح تعریف‌نشده، شرایط پیش‌فرض می‌تواند اعمال شود.

کنترل فیزیک مدل پیش از حل

پیش از انتقال مدل به Solver، باید از صحت تنظیمات فیزیکی اطمینان حاصل کرد.

برای یک مدل HVAC، چند سؤال اساسی باید پاسخ داده شوند:

آیا هوا به‌درستی به‌عنوان ماده انتخاب شده است؟

آیا جریان Laminar یا Turbulent به‌درستی انتخاب شده است؟

آیا Thermal Energy در صورت نیاز فعال است؟

آیا اثر شناوری اهمیت دارد؟

آیا Gravity به جهت صحیح تعریف شده است؟

آیا دمای ورودی مشخص است؟

آیا شرایط دیواره از نظر حرارتی صحیح است؟

آیا Inlet و Outlet با سیستم واقعی سازگار هستند؟

این بررسی ساده می‌تواند از بسیاری از خطاهای رایج در مراحل بعدی جلوگیری کند.

یک مدل مقدماتی پیشنهادی برای کانال HVAC

برای شروع شبیه‌سازی در این دوره می‌توان یک کانال ساده را در نظر گرفت که هوا با Mass Flow Rate مشخص و دمای معلوم وارد آن شود و از یک Outlet با فشار مشخص خارج گردد.

مدل جریان را می‌توان بر اساس شرایط مسئله انتخاب کرد و در صورت اهمیت انتقال حرارت، Thermal Energy را فعال نمود.

اگر کانال یا فضای مورد بررسی دارای اختلاف دمای قابل توجه باشد، اثر Buoyancy و Gravity نیز باید وارد مدل شوند.

در مرحله بعد می‌توان همین مدل پایه را با اضافه کردن زانو، انشعاب، دریچه و فضای داخلی توسعه داد.

جمع‌بندی

تنظیم فیزیک جریان و شرایط مرزی، پایه اصلی یک شبیه‌سازی قابل اعتماد HVAC در ANSYS CFX است. در این مرحله باید میان مدل جریان، مدل آشفتگی، انتقال حرارت، شناوری، شرایط ورودی، خروجی و دیواره‌ها هماهنگی کامل برقرار باشد.

برای یک مدل کانال تهویه، مهم‌ترین پارامترها شامل دبی جرمی یا سرعت ورودی، دمای هوای ورودی، فشار خروجی، مدل آشفتگی و شرایط حرارتی دیواره هستند. در مدل‌های دارای اختلاف دمای قابل توجه نیز باید اثر شناوری و جهت گرانش با دقت در نظر گرفته شود. نمونه رسمی ANSYS برای شبیه‌سازی تهویه مطبوع نیز ترکیبی از Mass Flow Rate، جهت جریان، Static Temperature، مدل k-Epsilon، Thermal Energy و شرایط مختلف دیواره را به‌کار می‌گیرد.

پس از تکمیل این مرحله، مدل برای تنظیم Solver Control، اجرای محاسبات، بررسی همگرایی و سپس تحلیل توزیع سرعت، فشار و دما در CFD-Post آماده خواهد بود.

کلیدواژه ها : تنظیمات فیزیک جریان در ANSYS CFX-شرایط مرزی کانال تهویه در CFX-آموزش ANSYS CFX HVAC-تنظیم Boundary Conditions در CFX-شبیه سازی کانال تهویه-شبیه سازی HVAC در ANSYS CFX-تنظیم جریان هوا در CFX-مدل سازی جریان هوا در کانال-جریان آشفته در کانال تهویه-Turbulent Flow در CFX-مدل k Epsilon در CFX-انتقال حرارت در کانال تهویه-Thermal Energy در CFX-تنظیم دمای ورودی در CFX-تنظیم سرعت ورودی در CFX-تنظیم دبی جرمی در CFX-Mass Flow Rate در CFX-Pressure Outlet در CFX-Inlet Boundary در CFX-Outlet Boundary در CFX-Wall Boundary در CFX-No Slip Wall در CFX-Adiabatic Wall در CFX-Fixed Temperature در CFX-Heat Flux در CFX-Heat Transfer Coefficient در CFX-شناوری در HVAC-Buoyancy در ANSYS CFX-Boussinesq Model در CFX-Full Buoyancy در CFX-Gravity در CFX-جریان طبیعی هوا-جریان اجباری هوا-جریان مختلط در HVAC-انتقال حرارت مزدوج در HVAC-Conjugate Heat Transfer در CFX-شرایط اولیه در CFX-Reference Pressure در CFX-شبیه سازی جریان تراکم ناپذیر هوا-تحلیل CFD کانال تهویه-آموزش CFX Pre-ANSYS CFX HVAC Simulation-ANSYS CFX Air Flow-ANSYS CFX Boundary Conditions-ANSYS CFX Turbulence-ANSYS CFX Heat Transfer-ANSYS CFX Buoyancy-ANSYS CFX Duct Flow