توضیحات
پروژه شبیه سازی انتقال حرارت ترکیبی جابجایی و تابش در محفظه بسته مربعی در نرم افزار انسیس فلوئنت
از عوامل مهمی که در بازدهی صنایع و هزینه های آن تاثیرگذار است روش های انتقال گرما می باشد. انتقال گرما در محفظه ها یکی از مهمترین موضوعات کاربردی می باشد. زیرا محفظه های پر شده از سیالات بخش عمده سیستم های مهندسی را تشکیل می دهد. در چند دهه اخير تحقیقات گسترده ای در رابطه با انتقال گرمای جابجایی طبیعی در محفظه ها باتوجه به هندسه و شرایط مرزی انجام یافته است. کاربرد وسیع انتقال گرما در محفظه ها از جمله راکتورهای هسته ای، فناوری های خورشیدی و سیستم های گلخانه ای لزوم مطالعه این سیستم ها را به منظور ارزیابی اثر پارامترهای مختلف بر کارایی انتقال گرما در سیستم ضروری می سازد.
بطور کلی گرما به سه طریق هدایت، جابجایی و تابش انتقال می یابد.
انتقال گرما به طریق هدایت(conduction heat transfer):
تجربه نشان داده است که در صورت وجود گرادیان دما در جسم، انتقال گرمایی از ناحیه دما بالا به ناحیه دما پایین وجود دارد. انرژی به طریق هدایت انتقال یافته و آهنگ انتقال گرما به ازای واحد مساحت متناسب است با گرادیان دمای عمودی است.
انتقال گرما به طریق جابجایی(convective heat transfer):
شیوه انتقال گرمای جابجایی از دو مکانیزم تشکیل می شود. علاوه بر حرکت تصادفی مولکولی (پخش)، انرژی بر اثر حرکت کپه ای(ماکروسکوپیک) سیال نیز منتقل می شود. انتقال گرمای جابجایی را برحسب ماهیت جریان میتوان رده بندی کرد. وقتی جریان توسط وسایل خارجی از قبیل فن، پمپ یا بادهای اتمسفریک به وجود آید جابجایی اجباری داریم. در مقابل در جریان آزاد (یا طبیعی) جریان بر اثر نیروهای شناوری به وجود می آید؛ این نیروها از اختلاف چگالی ناشی از تغییرات دما در سیال به وجود می آیند. به این صورت که دمای هوایی که با نقاط گرم تماس دارد افزایش می یابد و از این رو چگالی آن کم می شود. چون این هوا از هوای محیط سبک تر است، نیروهای شناوری حرکتی عمودی را ایجاد می کنند که به موجب آن هوای گرم بالا می رود و جریان هوای سردتر محيط جایگزین آن می شود. چون سرعت های جریان در جابجایی آزاد معمولا خیلی کوچکتر از سرعتها در جابجایی اجباری هستند، آهنگ انتقال جابه جایی نیز کمتر است. لذا شاید اهمیت کمتری برای فرایندهای جابجایی آزاد قائل باشیم. ولی، باید دانست در بسیاری از سیستم ها با انتقال گرمای ترکیبی، جابجایی آزاد بیشترین مقاومت را در برابر انتقال گرما بروز می دهد و نقش مهمی در طراحی یا عملکرد سیستم دارد.
به علاوه، اگر بخواهیم آهنگ انتقال گرما یا هزینة کارکرد به حداقل برسد، اغلب، جابجایی آزاد را بر جابجایی واداشته ترجیح می دهیم. جابجایی آزاد کاربردهای فراوانی دارد. این فرآیند بر انتقال گرما از لولهها و خطوط انتقال، و همچنین از وسایل الکترونیکی مختلف شدیدا تأثیر میگذارد. جابجایی آزاد در انتقال گرما از گرمکن های الکتریکی یا از رادیاتورها به هوای اتاق و در دفع گرما از کویل دستگاه تبرید به هوای اطراف اهمیت دارد.
جابجایی طبیعی(natural convection):
جابجایی طبیعی در محفظه های حاوی سیال، به دلیل کاربردهای وسیعی که در صنعت و تکنولوژی دارد، از اهمیت ویژه ای برخوردار است و تحقیقات زیادی از گذشته تاکنون، در این حوزه صورت گرفته است. محفظههای دربردارنده سیال از اجزای مرکزی بسیاری از سامانه های مهندسی و ژئوفیزیکی محسوب می شوند. برای مثال جریان بین شیشه های دو جداره، گرم شدن هوای درون یک اتاق محصور با رادیاتور، جریان هوای درون یک مودم بیسیم بسته که هیچ گونه نیرو محرکه خارجی برای حرکت سیال وجود ندارد از نمونه های جابجایی طبیعی داخلی محسوب می شوند. درواقع جابجایی طبیعی مکانیزم یا نوعی از انتقال حرارت است که در آن حرکت سیال توسط نیرومحرکه خارجی مثل پمپ یا فن و دستگاههای مکش تأمين نمی شود و سیال فقط به دلیل اختلاف چگالی در لایه های سیال که ناشی از گرادیان دما است، به حرکت می افتد. برای تمایز بهتر میان جابجایی طبیعی و اجباری می توان عمده خواص جابجایی طبیعی را چنین بیان کرد:
1-میان جریان سیال و انتقال حرارت آن در جابجایی طبیعی وابستگی شدیدی وجود دارد به نحوی که نمی توان میدان سرعت را به طور مستقل محاسبه کرد و سپس به میدان دما رسید؛ در حالی که در جابجایی اجباری وقتی که خواص سیال ثابت است، چنین امری امکان پذیر است. در واقع در میدان باید با هم محاسبه شوند، بنابراین حل مسائل جابجایی طبیعی نسبت به جابجایی اجباری به مراتب مشکل تر است.
2- نیروی محرک برای جابجایی طبیعی، نیروی بویانسی یعنی همان اختلاف چگالی بین دو سیال میباشد. جابجایی طبیعی داخلی نتیجه برهم کنش پیچیدهای میان بخش محدودی از سیال در تبادل گرمایی با سایر دیواره هایی است که آن را محصور می کنند. در جابجایی طبیعی نیروهای بویانسی عمومأ ضعیف است و مولفههای سرعت در جابجایی طبیعی نسبت به جابجایی اجباری به مراتب کوچک تر است، در نتیجه رژیم جریان جابجایی طبیعی اغلب آرام است؛ هرچند که گذر از رژیم آرام به مغشوش نیز همچون جابجایی اجباری ممکن است رخ دهد.
پدیده جابجایی طبیعی بسته به نوع هندسه، پیکربندی و جهت محفظه تغییر می کند. جابجایی طبیعی باتوجه به کاربردهای مهندسی به دو دسته محفظه های گرمایش از دیواره جانبی و محفظه های گرمایش از کف تقسیم می شود. اگرچه که محفظه های عریض با گرمایش از سقف مثل سیستمهای تابشگر دما بالا در محیط های عریض و بزرگ صنعتی نیز می تواند جریان جابجایی طبیعی داخلی را به وجود آورد. دسته اول گویای کاربردهایی مثل کلکتورهای خورشیدی، عایق کاری دیواره های دو جداره و گردش هوا درون اتاق های یک ساختمان است. به علاوه مثال های دسته اول را می توان در ماشین های الکتریکی دوار سامانه های سرمایش در ابعاد صنعتی یافت. از مثال های دسته دوم نیز میتوان به پنل های گرمایش از کف درون ساختمان اشاره کرد. از کاربردهای دیگر جابجایی طبیعی در محفظه ها می توان به خنک سازی وسایل الکترونیکی و میکروالکترونیکی، عایق سازی یا خنک سازی نیروگاه های هسته ای، کلکتورهای خورشیدی، تهویه ساختمان، توسعه صنعت شیشه سازی و پیل سوختیهای میکرو اشاره کرد.
انتقال گرما به طریق تابش(Radiation heat transfer):
بر خلاف سازوکارهای هدایت و جابجایی که شامل انتقال انرژی در جسم مادی است، گرما می تواند در ناحیه ای که خلأ کامل است نیز انتقال یابد. این حالت از انتقال گرما به تابش معروف است. ملاحظات ترمودینامیکی نشان می دهد که یک تابنده گرمایی ایده آل یا جسم سیاه، انرژی را با آهنگی متناسب با توان چهارم دمای مطلق جسم و متناسب با مساحت آن گسیل میدارد. در بسیاری از مسائل مهندسی، انتقال حرارت تابشی نقش مهمی ایفا می کند.
انتقال حرارت ترکیبی جابجایی و تابشی:
امروزه بهره گیری از انتقال حرارت جابجایی آزاد و تشعشعی با توجه به کاربردهای فراوان در مسایل مختلف مهندسی، توجه بسیاری از طراحان و صنعتگران را به خود معطوف کرده است. در این راستا تعداد زیادی از مقالات منتشر شده توسط پژوهشگران به بررسی این نوع از مکانیزم های انتقال حرارت در محیط ها و سیستمهای مختلف پرداخته اند. مزیت اصلی انتقال حرارت جابه جایی آزاد در قابل اعتمادبودن آن است چرا که حرکت هوا به سادگی توسط گرادیان دانسیته موضعی در حضور جاذبه و بدون نیاز به تجهیزات ایجاد حرکت اولیه می باشد. به طورکلی این نوع از مکانیزم های انتقال حرارت به دلایلی همچون هزینه های پایین، صدای کمتر و دارایی قابلیت اطمینان بالا در دفع پیوسته حرارت از سطح مورد نظر بارها در کاربردهای مهندسی مورد استفاده قرار گرفته اند. انتقال حرارت جابه جایی آزاد همراه با تشعشع از سطح خارجی اجسام مکعب مستطیلی نیز کاربردهای مهندسی زیادی در خنک کاری قطعات الکترونیکی، طراحی کلکتورهای خورشیدی، مبدل های حرارتی، راکتورهای شیمیایی و هسته ای و … دارد.
انتقال گرما از یک جسم که در هوای آزاد قرارگرفته و دمای آن با دمای هوای اطراف متفاوت است از طریق تابش وجابجایی آزاد امکان پذیر است. انتقال گرما تابش در اختلاف دمای پایین بسیار کمتر از انتقال گرما جابجایی است. انتقال گرما جابجایی باتوجه به ساکن بودن یا در جریان بودن هوای اطراف توسط یک محرک خارجی به ترتیب انتقال گرما جابجایی آزاد یا اجباری نامیده می شود. مطالعه انتقال گرما به روش جابجایی آزاد در بسیاری از فرآیندهای طبیعی از اهمیت خاص برخوردار است. نرخ انتقال گرما در جابجایی آزاد بستگی به اختلاف دمای سطح جسم و هوای محیط، نوع سیال، نحوه جابجایی و حرکت سیال وهندسه جسم دارد. از نظر دیدگاه انرژی، میزان انتقال گرما در جابجایی اجباری به مراتب بیشتر از جابجایی آزاد می باشد
ولی در بسیاری از موارد به دلیل محدودیت های مصرف انرژی و آلودگی محیط زیست استفاده از انتقال گرما جابجایی آزاد بر نوع اجباری آن برتری دارد. انتقال گرما جابجایی در بسیاری از کاربردها مانند گرمایش و تهویه مطبوع ساختمان ها، وسایل خنک کننده الکتریکی و الکترونیکی مشاهده می شود.
اهمیت انتقال گرما جابجایی طبیعی و تابش:
همراهی انتقال گرمای جابجایی طبیعی و تابش در بسیاری از مسائل آنها می توان به طراحی سیستم های انرژی خورشیدی، رشد بلور و انرژی هسته ای اشاره کرد. بسیاری از این سیستم ها می توان به وسیله آزمایش مطالعه شود. اما آزمایش ها معمولاً بسیار پرهزینه و زمان بر بوده و تغییر پارامترهایی که باید بررسی شود به سختی امکانپذیر می باشد. امروزه استفاده از برنامه های شبیه ساز بسیار پرکاربرد می باشد. از آنجایی که برنامههای شبیه ساز بطور گسترده ای محک خورده و تایید شده است. در بعضی مواقع تنها شبیه سازی عددی مبنای کاربرد قرار گرفته و از آزمایش چشم پوشی می شود. یکی از مشکلات در این زمینه این است که در شبیه سازیهایی که انتقال گرما جابجایی طبیعی و تابش وارد مسأله میشود، محاسبات بسیار پیچیده و سنگین شده و به امکانات سخت افزاری و نرم افزاری قدرتمندی برای انجام محاسبات نیاز خواهد بود. در سیستم های واقعی، تقریبا همیشه مواردی وجود دارد که تابش از مرز با رسانش درون جسم جامد و یا جابجایی از سطح تحت تأثیر قرار می گیرد. بنابراین همیشه ۲ یا ۳ شیوه از انتقال حرارت باید همزمان درنظرگرفته شود. برای مثال گرمای خروجی از یک سطح دما معلوم مجاور با یک محیط غیرتداخلی میتواند با جابجایی و تابش به صورت همزمان انجام شود. این در حالی است که محاسبه شار انتقال حرارت جابجایی و تابشی از یکدیگر مستقل است و می توان هر کدام را به طور مجزا محاسبه نمود و به سادگی با یکدیگر جمع نمود. اگر شرایط مرزی سطح پیچیده تر باشد (یعنی دمای مرز معلوم نباشد)، در این صورت تابش در مسئله جابجایی رسانش به صورت یک شرط مرزی غیرخطی وارد می شود.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی انتقال حرارت ترکیبی جابجایی و تابش در محفظه مربعی در نرم افزار انسیس فلوئنت صورت گرفته است.
هندسه مدل:
هندسه مدل در نرم افزار ANSYS Design Modeler ترسیم شده است.
مش بندی:
شبکه بندی در نرم افزار ANSYS Meshing تولید شده است.
شبیه سازی:
شبیه سازی در نرم افزار FLUENT انجام شده است. جریان به صورت Laminar درنظرگرفته شده است.
نمونه نتایج:
نتایج کانتور دما:
نتایج کانتور انتقال حرارت تابشی:
