در شبیه‌سازی سیستم‌های تهویه مطبوع (HVAC) در ANSYS CFX، یکی از مهم‌ترین مراحل، تبدیل هندسه واقعی سیستم به یک مدل محاسباتی مناسب است. در این مرحله باید مشخص شود که سیال در چه محدوده‌ای حرکت می‌کند، محل‌های ورود و خروج هوا کجا هستند، دیواره‌ها چه رفتار حرارتی دارند و حلگر با چه مدل‌های فیزیکی و عددی مسئله را حل کند. مستندات ANSYS نیز در مسائل HVAC بر مواردی مانند شناوری، انتقال حرارت، تابش حرارتی و انتقال حرارت مزدوج تأکید دارد.

تعریف دامنه محاسباتی در CFX

در CFX، Domain محدوده‌ای است که معادلات جریان، انرژی و سایر مدل‌های فعال در آن حل می‌شوند. برای یک کانال تهویه ساده، معمولاً دامنه اصلی شامل حجم داخلی کانال است؛ اما در مدل‌های پیشرفته‌تر می‌توان فضای اتاق، محفظه توزیع هوا، تجهیزات سرمایشی یا گرمایشی و حتی اجزای جامد را نیز در نظر گرفت.

برای یک مدل HVAC معمولی، ابتدا باید مشخص شود که هدف شبیه‌سازی چیست. اگر هدف بررسی افت فشار داخل کانال باشد، ممکن است تنها دامنه سیال کافی باشد. اما اگر هدف بررسی توزیع دما در یک فضای تهویه‌شده باشد، لازم است حجم هوای داخل فضا نیز به‌عنوان بخشی از دامنه محاسباتی تعریف شود.

در CFX امکان تعریف دامنه‌های مختلف و همچنین ارتباط بین دامنه‌های سیال و جامد وجود دارد. این قابلیت برای مسائل Conjugate Heat Transfer (CHT) اهمیت زیادی دارد؛ زیرا انتقال حرارت بین هوا و اجزای جامد سیستم را می‌توان به‌صورت همزمان محاسبه کرد.

تعریف سیال و مدل فیزیکی هوا

پس از ایجاد Domain، باید سیال مورد استفاده مشخص شود. در اغلب شبیه‌سازی‌های HVAC، سیال اصلی Air است و بسته به شرایط مسئله می‌توان خواص آن را به شکل مناسب تعریف کرد.

اگر تغییرات دما در سیستم اهمیت داشته باشد، تنها حل معادلات جریان کافی نیست و باید مدل انرژی نیز فعال شود. در این حالت CFX می‌تواند تغییرات دمای هوا و انتقال انرژی ناشی از جابه‌جایی و سایر مکانیزم‌های حرارتی را محاسبه کند.

در مسائل HVAC، وجود اختلاف دما معمولاً باعث ایجاد اثرات شناوری می‌شود. به همین دلیل ANSYS اشاره می‌کند که بیشتر مسائل HVAC تحت تأثیر Buoyancy قرار دارند و می‌توان از مدل‌های Full یا Boussinesq برای نمایش آن استفاده کرد.

تعریف ورودی هوای کانال

یکی از مهم‌ترین Boundary Conditionها در مدل تهویه، Inlet است. در این مرز باید مشخص شود هوا با چه شرایطی وارد کانال یا فضای مورد مطالعه می‌شود.

بسته به اطلاعات موجود می‌توان ورودی را بر اساس پارامترهایی مانند:

  • سرعت هوا

  • دبی جرمی

  • جهت جریان

  • دمای ورودی

  • شدت آشفتگی

  • مشخصات هندسی جریان

تعریف کرد.

برای مثال، در یک سیستم تهویه ممکن است اطلاعات طراحی شامل دبی هوای ورودی و دمای هوای تأمین‌شده باشد. در چنین شرایطی این اطلاعات باید به‌گونه‌ای در CFX تعریف شوند که با شرایط واقعی سیستم سازگار باشند.

در انتخاب نوع شرط مرزی باید توجه داشت که شرایط ورودی نباید با سایر شرایط مسئله بیش از حد محدود شود. مستندات CFX تأکید می‌کنند که Boundary Conditionهای نامناسب یا بیش از حد مشخص‌شده می‌توانند باعث ایجاد حل غیرواقعی یا مشکل در همگرایی شوند.

تعریف خروجی هوا

در سمت خروجی معمولاً از Outlet Boundary استفاده می‌شود. این مرز باید به‌گونه‌ای انتخاب شود که جریان بتواند بدون ایجاد محدودیت غیرضروری از دامنه خارج شود.

محل خروجی اهمیت زیادی دارد؛ زیرا اگر خروجی بیش از حد به ناحیه چرخشی یا بازگشت جریان نزدیک باشد، می‌تواند روی جواب عددی اثر بگذارد. در یک کانال ساده، بهتر است خروجی در فاصله مناسبی از نواحی شدیداً آشفته، زانوها، دیفیوزرها یا سایر ناپیوستگی‌های هندسی قرار داشته باشد.

در سیستم‌های HVAC پیچیده‌تر نیز ممکن است به‌جای یک خروجی ساده، چندین خروجی یا Opening وجود داشته باشد؛ برای مثال در اتاقی که چند مسیر برگشت یا تخلیه هوا دارد.

تعریف دیواره‌های کانال و فضای تهویه

تمام سطوحی که هوا با آنها تماس دارد باید به‌درستی تعریف شوند. معمولاً دیواره‌های کانال به‌صورت Wall مدل می‌شوند و می‌توان رفتار حرارتی آنها را نیز مشخص کرد.

برای دیواره‌های HVAC گزینه‌هایی مانند:

  • دیواره عایق یا Adiabatic

  • دمای ثابت

  • شار حرارتی مشخص

  • انتقال حرارت با محیط

  • اتصال به دامنه جامد

قابل استفاده است.

اگر هدف فقط بررسی الگوی جریان باشد، ممکن است مدل حرارتی ساده‌تری کافی باشد؛ اما در مطالعات واقعی تهویه مطبوع که دمای دیواره، عایق‌کاری یا انتقال حرارت ساختمان اهمیت دارد، انتخاب صحیح شرایط حرارتی دیواره بسیار مهم است.

فعال‌سازی آشفتگی و انتقال حرارت

جریان هوا در بسیاری از کانال‌ها و فضاهای تهویه‌ای آشفته است. بنابراین انتخاب مدل Turbulence باید متناسب با سرعت جریان، هندسه و هدف تحلیل انجام شود.

در کنار مدل آشفتگی، در صورت بررسی رفتار حرارتی باید Heat Transfer نیز فعال شود. این موضوع امکان محاسبه تغییرات دمای هوا در اثر انتقال حرارت و اختلاط جریان را فراهم می‌کند.

در مدل‌های HVAC پیشرفته‌تر، ممکن است تابش حرارتی نیز وارد مسئله شود. ANSYS برای مسائل HVAC مکانیزم‌هایی مانند Thermal Radiation و Conjugate Heat Transfer را از فرآیندهای متداول قابل مدل‌سازی معرفی می‌کند.

تعریف شناوری و گرانش

در یک فضای تهویه‌شده، هوای گرم و سرد دارای چگالی متفاوت هستند. در نتیجه اختلاف دما می‌تواند باعث حرکت طبیعی هوا شود. بنابراین در مدل‌هایی که دما و گردش هوا همزمان بررسی می‌شوند، Buoyancy می‌تواند نقش مهمی داشته باشد.

جهت گرانش نیز باید مطابق جهت واقعی سیستم تعیین شود. اشتباه در تعریف جهت گرانش می‌تواند الگوی جریان طبیعی و توزیع دما را به شکل قابل‌توجهی تغییر دهد.

این موضوع به‌خصوص در فضاهایی که جریان اجباری و طبیعی همزمان وجود دارند، یعنی Mixed Convection، اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.

تعریف فن و تجهیزات تأمین هوا

در بسیاری از سیستم‌های HVAC، فن عامل اصلی ایجاد جریان است. در CFX می‌توان رفتار فن را با روش‌های مختلف مدل کرد. برای نمونه، فن قرارگرفته در داخل دامنه می‌تواند به‌صورت یک Momentum Source نمایش داده شود یا بسته به ساختار مدل، از طریق شرایط مرزی مناسب نمایش داده شود.

انتخاب روش مدل‌سازی فن به سطح جزئیات مورد نیاز بستگی دارد. اگر هدف بررسی کلی عملکرد سیستم باشد، یک مدل ساده فن می‌تواند کافی باشد؛ اما برای بررسی دقیق‌تر توزیع فشار و سرعت در اطراف پره‌ها، مدل هندسی و فیزیکی دقیق‌تری مورد نیاز است.

تنظیمات حل در CFX-Solver

پس از تعریف Domain و Boundaryها، باید تنظیمات حل مشخص شوند. یکی از تصمیم‌های اصلی، انتخاب بین Steady State و Transient است.

در یک سیستم تهویه با شرایط تقریباً ثابت، تحلیل Steady State معمولاً نقطه شروع مناسبی است. اما اگر تغییرات زمانی دما، روشن و خاموش شدن تجهیزات، تغییر دبی یا رفتار گذرای جریان مورد بررسی باشد، باید تحلیل Transient انجام شود.

همچنین باید کنترل همگرایی، تعداد Iterationها، معیارهای Residual و در صورت تحلیل گذرا، Time Step مناسب تعیین شود. در مسائل HVAC، ترکیب شناوری، انتقال حرارت و کوپل‌شدن معادلات می‌تواند همگرایی را دشوار کند؛ ANSYS نیز استفاده از گام‌های زمانی کوچک‌تر را در برخی مسائل گذرا به‌عنوان راهکاری برای بهبود همگرایی مطرح می‌کند.

یک ساختار پیشنهادی برای مدل HVAC

برای یک شبیه‌سازی آموزشی و استاندارد می‌توان روند تعریف مسئله را به شکل زیر در نظر گرفت:

Geometry → Mesh → Domain → Air → Turbulence → Heat Transfer → Buoyancy → Inlet → Outlet → Walls → Solver Control → Solution

در این ساختار، ابتدا حجم جریان مشخص می‌شود، سپس خواص هوا و مدل‌های فیزیکی انتخاب می‌شوند و بعد شرایط مرزی برای ورودی، خروجی و دیواره‌ها تعیین می‌گردند. در نهایت تنظیمات حلگر و معیارهای همگرایی اعمال می‌شوند.

نکته مهم این است که این تنظیمات نباید مستقل از هدف تحلیل انتخاب شوند. برای مثال، مدلی که صرفاً برای بررسی افت فشار کانال ساخته می‌شود، الزاماً به همان سطح پیچیدگی مدلی که برای پیش‌بینی توزیع دما و آسایش حرارتی یک اتاق استفاده می‌شود نیاز ندارد.

جمع‌بندی

تعریف صحیح Domain، Inlet، Outlet، Wall و Solver Control پایه اصلی یک شبیه‌سازی موفق HVAC در ANSYS CFX است. دامنه باید دقیقاً محدوده فیزیکی مورد مطالعه را نمایش دهد، ورودی و خروجی باید با شرایط واقعی سیستم سازگار باشند و مدل‌های آشفتگی، انتقال حرارت و شناوری بر اساس هدف تحلیل انتخاب شوند.

در مسائل پیشرفته‌تر، می‌توان این ساختار را با فن‌ها، منابع حرارتی، تابش، دامنه‌های جامد و CHT توسعه داد. به این ترتیب، CFX می‌تواند از یک مدل ساده کانال تهویه تا مدل‌های پیچیده‌تر سیستم‌های تهویه و کنترل شرایط حرارتی ساختمان را پوشش دهد. 

کلیدواژه ها : شبیه سازی HVAC در ANSYS CFX-آموزش ANSYS CFX-تعریف Domain در CFX-تعریف دامنه محاسباتی-شرایط مرزی HVAC-تعریف Inlet در CFX-تعریف Outlet در CFX-شرایط ورودی هوا-شرایط خروجی هوا-مدل سازی کانال تهویه-مدل سازی جریان هوا-انتقال حرارت در CFX-Buoyancy در CFX-مدل آشفتگی HVAC-Solver Control در CFX-شبیه سازی تهویه مطبوع-شبیه سازی سیستم HVAC-ANSYS CFX HVAC-تنظیمات حلگر CFX