توضیحات

 

پروژه شبیه سازی انتقال حرارت اجباری آب در کانال مستطیلی  با برآمدگی ها و دیمپل های مختلف در نرم افزار انسیس فلوئنت(Ansys Fluent)

 

Simulation of Forced Heat Transfer of Water in Rectangular Channel with Dimples in Ansys Fluent

روش های افزایش انتقال حرارت فعال و غیرفعال:

صرفه جویی در مصرف انرژی و مواد اولیه از یک سو و میل به کوچک سازی تجهیزات و کاهش آلاینده ها از سوی دیگر در چند دهه اخیر باعث شده تا با در نظر گرفتن مسائل اقتصادی و زیست محیطی تلاش های زیادی برای ساخت دستگاه هایی با تبادل حرارتی پربازده صورت گیرد. با شناخت اصول مربوط به روش های افزایش انتقال حرارت و طراحی تجهیزات انتقال حرارت، امکان صرفه جویی هر چه بیشتر در مصرف انرژی و کاهش آلودگی زیست محیطی میسر خواهد بود. به طور کلی روش های افزایش انتقال حرارت را می توان به سه روش فعال، غیرفعال و ترکیبی دسته بندی نمود.

روش های فعال: در این روش ها از توان خارجی مانند الکتریکی، میدان های صوتی و سطوح ارتعاشی به منظور افزایش انتقال حرارت استفاده می شود.

روش های غیرفعال: در این روش ها نیاز به هیچ توان خارجی برای افزایش انتقال حرارت نمی باشد.

روش های ترکیبی: هرگاه دو و یا بیش از دو روش فعال یا غیرفعال به صورت همزمان مورد استفاده قرار گیرد، به آن روش ترکیبی گویند. عدم نیاز به عوامل خارجی در روش های غیرفعال، دلیل خوبی برای تمایل بیشتر استفاده از این روش ها به منظور حذف استفاده از توان بیشتر، کاهش مصرف انرژی و همچنین حذف تجهیزات جانبی محسوب می شود. برخی از روش های افزایش انتقال حرارت غیرفعال عبارت است از:

-زبری سطح

– تولید کننده های گردابه

– تغییر خاصیت رئولوژیکی سیال

-ریز کانال ها

– مبدل های حرارتی فشرده

– افزودنی ها به مایعات.

روش های فعال:

روش فعال به روشهایی اطلاق می گردد که نیازمند یک توان خارجی برای بهبود فرآیندها می باشد. تجهیزات کمکی مکانیکی، ارتعاش سطح، ارتعاش سیال، میدان های الکترواستاتیک، برخورد جت و اسپری نمونه ای از روش های فعال در افزایش انتقال حرارت هستند. به دلیل نیاز این روش به تجهیزات جانبی، استفاده از این روش محدودیت هایی در کاربردهای عملی ایجاد می کند.

روش های غیرفعال:

روش غیرفعال برخلاف روش قبل نیازی به اعمال نیروی خارجی ندارد. در این روش از اصلاحات سطحی و مهندسی برای لوله جریان با کمک تجهیزات متصل شده استفاده میشود. این روش نرخ انتقال حرارت را از طریق تغییر در الگوی جریان افزایش می دهد اما این امتیاز با افزایش افت فشار نیز همراه است. لوله های فنری، سطوح گسترش یافته  سطوح ناهموار(لوله موج دار و ریب) و مغشوش کننده های جریان از جمله روش های غیرفعال به شمار می روند.

دینامیک سیالات محاسباتی (CFD):

دینامیک سیالات محاسباتی(CFD) یکی از بزرگترین زمینه هایی است که مکانیک قدیم را به علوم رایانه و توانمندی های نوین محاسباتی آن در نیمه دوم قرن بیستم و در سدة جدید میلادی وصل می کند. دینامیک سیالات محاسباتی علم پیش بینی جریان سیال، انتقال حرارت، انتقال جرم، واکنش های شیمیایی و پدیده های وابسته به آن به وسیلة حل معادلات ریاضی که قوانین فیزیکی را بیان می کنند، با استفاده از یک فرآیند عددی است. این معادلات شامل پایستاری جرم، مومنتوم، انرژی، ذرات و غیره است. در این روش با تبدیل معادلات دیفرانسیل پاره ای حاکم بر سیالات به معادلات جبری، امکان حل عددی این معادلات فراهم می شود. با تقسیم ناحیه موردنظر برای تحلیل به المان های کوچکتر و اعمال شرایط مرزی برای گره های مرزی با اعمال تقریب هایی، یک دستگاه معادلات خطی به دست می آید که با حل این دستگاه معادلات جبری، میدان سرعت، فشار و دما در ناحیه موردنظر بدست می آید. با استفاده از نتایج بدست آمده از حل معادلات می توان و برآیند نیروهای وارد بر سطوح، و ضریب انتقال حرارت و غیره را محاسبه نمود.اکنون روش دینامیک سیالات محاسباتی جای خود را در کنار روش های آزمایشگاهی و تحلیلی برای تحلیل مسائل سیالات باز کرده است و استفاده از این روش ها برای انجام تحلیل های مهندسی امری عادی شده است. درواقع تحلیل های دینامیک سیالات محاسباتی مکمل آزمایش ها و تجربیات بوده و مجموع تلاش ها و هزینه های موردنیاز در آزمایشگاه را کاهش می دهد. دینامیک سیالات محاسباتی به صورت گسترده در زمینه های مختلف صنعتی مرتبط با سیالات، انتقال حرارت و انتقال مواد به کمک سیال بکار گرفته می شود. از جمله این موارد می توان به صنعت کشتی سازی، صنعت خودروسازی، صنایع هوافضا و بسیاری موارد گسترده صنعتی دیگر اشاره کرد که دانش دینامیک سیالات محاسباتی به عنوان گره گشای مسائل صنعتی مرتبط تبدیل شده است. علی رغم اینکه قدمت دینامیک سیالات محاسباتی در دنیا چندان زیاد نیست، این شاخه از علم در ایران و در سال های اخیر، رشد بسیار خوبی داشته است.

نرم افزار انسیس فلوئنت:

نرم افزار Fluent ، یکی از قوی ترین نرم افزارهای محاسباتی برای شبیه سازی جریان سیال و انتقال حرارت در هندسه های پیچیده می باشد. برخی از قابلیت های این نرم افزار به صورت زیر می باشد: مدل سازی سیال های نیوتنی و غیر نیوتنی، جابجایی آزاد و اجباری، انتقال حرارت هدایتی و تشعشعی و جابجایی، چارچوب های چرخان و ساکن، مدل سازی جریان ها در هندسه های پیچیده دو بعدی و سه بعدی، مدلسازی جریان های پایا و گذرا، غير لزج، آرام و مغشوش، دو فازی و چند فازی، سطح آزاد با شکل های سطح پیچیده و مدل سازی جریان در محیط های متخلخل، مدل سازی مشعل های خانگی و صنعتی. از این نرم افزار در صنایع مختلف پتروشیمی، هوافضا، توربو ماشین های خودروسازی، الکترونیک (نیمه هادی ها و خنک سازی قطعات الکترونیک)، مبدل های حرارتی، تهویه مطبوع، مشعل سازی استفاده می شود. این نرم افزار قابلیت مدل سازی جریان های دو و سه بعدی را داراست. این نرم افزار بر پایه روش حجم محدود که یک روش بسیار قوی و مناسب در روش های دینامیک سیالات محاسباتی می باشد، بنا شده است. قابلیت های فراوانی نظیر مدل سازی جریانهای دائم و غير دائم، جریان لزج و غير لزج، احتراق، جریان مغشوش، حرکت ذرات جامد و قطرات مایع در یک فاز پیوسته و ده ها قابلیت دیگر Fluent را تبدیل به یک نرم افزار بسیار قوی و مشهور نموده است. آزمایشات عملی و محاسبات تئوری، دو روش اصلی و مشخص برای پیش بینی میزان انتقال حرارت و چگونگی جریان سیال در کاربردهای مختلف صنعتی و تحقیقاتی می باشند. در اندازه گیری های تجربی به دلیل هزینه های زیاد ترجیح داده می شود که آزمایش ها بر روی مدلی با مقیاس کوچک تر از نسخه اصلی انجام پذیرد. حذف پیچیدگی ها و ساده سازی آزمایش ها، خطای دستگاه های اندازه گیری و بعضی موانع در راه اندازه گیری از جمله مشکلاتی هستند که روش های عملی با آنها روبه رو هستند و کارآیی این حالت ها را در بعضی موارد مورد سوال قرار می دهند. مهمترین امتیاز محاسبات تئوری در مقایسه با آزمایشهای تجربی، هزینه کم آن است. گرچه در بسیاری موارد ترجیح داده می شود با استفاده از روش های محاسباتی، آنالیز جریان و انتقال حرارت صورت گیرد ولی تایید تحلیل های عددی نیاز به مقایسه با نتایج آزمایشگاهی و یا نتایج تایید شده دیگری دارد. در میان محققین، انجام پژوهش های تجربی ارزش بسیاری دارد و اگر بتوان آزمایش مطلوبی انجام داد، تحلیل های زیادی را بر محور آنها میتوان گسترش داد و اطلاعات فراوانی بدست آورد. در هر صورت با دسترسی به دستگاه های محاسبه گر و رایانه های قوی، امروزه در بسیاری از موارد آنالیز دینامیک سیالات و انتقال حرارت با روش های عددی انجام می پذیرد. هر چه پدیده مورد بررسی پیچیدگی بیشتری داشته باشد، روش های عددی اهمیت بیشتری پیدا می کنند. علاوه بر سرعت بیشتر محاسبات عددی، می توان با این روش ها اطلاعات کامل با جزئیات بیشتری از قبیل تغییرات سرعت، فشار، درجه حرارت و غیره را در سراسر حوزه مورد نظر به دست آورد. در مقابل، اغلب اوقات شبیه سازی آزمایشگاهی جهت بدست آوردن این گونه اطلاعات مشكل و مستلزم صرف زمان زیاد بوده و در بعضی شرایط غیر ممکن است. در اکثر مسایل مربوط به مکانیک سیالات، به دلیل پیچیدگی معادلات مربوطه، استفاده از حل تحلیلی امکان پذیر نمی باشد.

فلوئنت یک نرم افزار کامپیوتری چند منظوره برای مدل سازی جریان سیال، انتقال حرارت و واکنش شیمیایی در هندسه نوشته شده است. با توجه به محیط مناسب نرم افزار جهت تعریف مساله و شرایط های پیچیده، تعریف شرایط مرزی گوناگون و حل مسایل پیچیده شامل تأثیر پدیده های مختلف به کمک این نرم افزار قابل حل می باشد. فلوئنت برای آنالیز و حل مسایل طراحی خاص، روش های شبیه سازی کامپیوتری متفاوتی را بکار می برد. برای راحتی کار، تعریف مساله، محاسبه و دیدن نتایج ، منوهای مختلفی در نظر گرفته شده است. وقتی نیاز باشد، Fluent می تواند مدل مورد نظر را از دیگر برنامه های نرم افزارهای تولید مدل که با آنها سازگاری دارد وارد کند. این نرم افزار امکان تغییر شبکه به صورت کامل و تحلیل جریان با شبکه های بی سازمان برای هندسه – های پیچیده را فراهم می سازد. نوع شبکه های قابل تولید و دریافت توسط این گروه نرم افزاری شامل شبکه هایی با المان های مثلثی و چهارضلعی (برای هندسه های دو بعدی ) و چهاروجهی، شش وجهی، هرمی یا گوهای (برای هندسه های سه بعدی) می باشد. همچنین Fluent به کاربر اجازه دست کاری شبکه (مثلا ریز کردن یا درشت کردن شبکه در مرز و مکان های لازم در هندسه) را می دهد. این بهینه سازی برای حل شبکه، قابلیتی در اختیار کاربر قرار می دهد که نتایج را در نواحی که دارای گرادیانهای بزرگ (مثل لایه مرزی و…) باشند، دقیق تر سازد. این قابلیت ها مدت زمانی را که برای تولید یک شبکه خوب مورد نیاز است را در مقایسه با حل در شبکه های مختلف به صورت قابل ملاحظه ای کاهش می دهد.

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی انتقال حرارت اجباری آب در کانال مستطیلی  با برآمدگی ها و دیمپل های مختلف در نرم افزار انسیس فلوئنت(Ansys Fluent) انجام شده است.

به طور کلی برای شبیه سازی و حل میدان های جریانی سه روش وجود دارد:

۱-روش های تجربی و آزمایشگاهی

۲-روش های تئوری و تحلیلی

3-روش های حل عددی و CFD.

روش های تجربی و آزمایشگاهی بر پایه اندازه گیری های عملی و اغلب براساس قضیه پی باکینگهام بنا شده اند. یعنی با بی بعد سازی معادلات می توان به جای آزمایش کردن یک مدل حقیقی با اندازه بزرگ و شرایط خاص یک نمونه کوچکتر با شرایط مناسب را آزمایش کنیم و سپس با استفاده از قضیه پی باکینگهام نتایج حاصله را به مدل حقیقی و اصلی نسبت داد. از طرفی با کمک این قضیه و بی بعد سازی می توان تعداد آزمایش های لازم برای رسیدن به نتیجه را کاهش دهیم.

روش های تئوری و تحلیلی براساس حل معادلات حاکم در مکانیک سیالات و انتقال حرارت بنا شده اند اما در اغلب موارد فرمول بندی قوانین پایه مکانیک سیالات و انتقال حرارت به صورت معادلات دیفرانسیل پاره ای PDE مرتبه دومی در می آیند که فقط در بعضی از حالت های خاص دارای حل تحلیلی و دقیق هستند چون معادلات حاکم در مکانیک سیالات یک مجموعه معادلات دیفرانسیل پارهای غیر خطی و وابسته را ایجاد می کنند که باید در یک قلمرو ناهموار و با شرایط اولیه و مرزی مختلف حل شوند، بنابراین در بیشتر موارد حل تحلیلی معادلات مکانیک سیالات بسیار محدود است و با اعمال شرایط مرزی این محدودیت ها بیشتر می شوند. روشی که در سال های اخیر برای حل این معادلات شهرت زیادی یافته دینامیک سیالات محاسباتی CFD می باشد که بر پایه محاسبات عددی بنا شده است. روش دینامیک سیالات محاسبات CFD نسبت به روش های تجربی مزایای دارد که در زیر به چند مورد اشاره می شود:

1-کاهش اساسی در زمان و قیمت طراحی های جدید:

اغلب هزینه محاسبات CFD کمتر از هزینه انجام یک آزمایش و ساخت آزمایشگاه مربوطه می باشد از طرفی سرعت انجام محاسبه نیز از سرعت انجام آزمایش بیشتر است.

2-توانایی مطالعه و شبیه سازی مسائلی که انجام آزمایشات روی آنها مشکل و یا غیر ممکن می باشد.

3-توانایی شبیه سازی و مطالعه مسائل در شرایط خاص و بحرانی:

یعنی میتوان با استفاده از تحلیل CFD شرایطی از دستگاه را که رسیدن به آن در شرایط آزمایشگاه غیرممکن است را نیز مورد مطالعه قرار داد.

4-به دست آوردن اطلاعات کامل و دقیق از حل:

در یک مسأله CFD می توان در هر نقطه از جریان تمام کمیت های مورد نظر مثل سرعت، دما، چگالی، انرژی و را محاسبه کرد اما در آزمایش فقط در چند نقطه می توان اطلاعات محدودی را بدست آورد.

5-مکانیک سیالات تجربی تنها می تواند اطلاعات مورد نیاز نقاط خاص جریان را فراهم کند. در هر حال به علت محدودیت های تجهیزاتی مانند اندازه نمونه آزمایش و اندازه تونل باد و همچنین مشکلات ناشی از عدم تشابه کامل یا میدان جریان واقعی، کسب اطلاعات آزمایشگاهی در بیشتر میدانهای جریان غیر عملی است.

برای طراحی، از نرم افزار انسیس دیزاین مدلر(ANSYS Design Modeler) استفاده شده است که جزو رایج ترین و قویترین نرم افزار ها در مبحث مدل سازی در مسائل مرتبط با دینامیک سیالات محاسباتی می باشد. همچنین برای تحلیل، حل مسئله و استخراج نمودارها و کانتورهای مورد نظر نیز از نرم افزار انسیس فلوئنت( ANSYS Fluent ) استفاده شده است. نرم افزار انسیس فلوئنت در گروه نرم افزار های حلگر تجاری معروف قرار دارد و امروزه بسیاری از تحلیل های مسائل مربوط به مباحث سیالاتی توسط این نرم افزار صورت می گیرد.

هندسه مسئله:

هندسه مسئله در نرم افزار انسیس دیزاین مدلر(ANSYS Design Modeler) ترسیم شده است.

شبکه و مش بندی:

در گام دوم از روند شبیه سازی نیازمند شبکه بندی مناسب برای استفاده از روش حجم محدود می باشد. بنابراین یکی از مهم ترین و اساسی ترین قسمت در یک حل عددی با دقت قابل قبول با صرف کمترین هزینه و دقت مناسب و همچنین صرف زمان کم از موضوعات مهم در یک شبیه سازی موفق می باشد. در این پروژه از نرم افزار انسیس مشینگ(ANSYS Meshing) به منظور شبکه بندی هندسه استفاده شده است. تولید یک شبکه مناسب تاثیر بسیار زیادی در دقت نتایج به دست آمده خواهد داشت. لازم است در نواحی که گرادیان های جریان زیاد است و یا سطح جسم از لحاظ هندسی با تغییرات زیادی همراه است، شبکه از تراکم مناسبی برخوردار باشد.

حلگر:

نوع حلگر مورد استفاده، حلگر مبتنی بر فشار در شرایط پایا می باشد.

انسیس فلوئنت براي حل معادلات فيزيكي، از روش حجم محدود استفاده ميكند. در روش حجم محدود، معادلات فيزيكي به فرم انتگرالي هستند. به طور كلي در اين نرم افزار دو شيوه براي حل معادلات وجود دارد :

حل كننده برپایه فشار (  pressure based)

حل كننده برپایه چگالی(  density based)

هر دو اين حل كننده ها مي توانند گستره وسيعي از جريان ها را به خوبي پوشش دهند. در هر دو شيوه حل كننده، ميدان جريان از حل معادلات مومنتوم حاصل مي شود.  به طور معمول حل كننده   pressure based در جريان هاي غيرقابل تراكم و نسبتا تراكم پذير به كار مي رود در حاليكه حل كننده density based براي جريان هاي قابل تراكم سرعت بالا، طراحي شده است.

سیال:

سیال مورد استفاده آب می باشد

وابستگی سرعت-فشار:

به منظور ارتباط سرعت-فشار از الگوریتم حل کوپل(coupled) استفاده شده است.

 

نمونه نتایج شبیه سازی: