توضیحات
پروژه شبیه سازی انتقال حرارت تابشی با روش راستاهای مجزا (DO) در محیط دارای پراکندگی در نرم افزار انسیس فلوئنت(Ansys Fluent)
Simulation of Radiative Heat Transfer in Scattering Media Using Radiative DO method Ansys Fluent Software
انتقال حرارت تشعشعی:
انتقال حرارت یکی از پرکاربردترین مسائل مهندسی است که بررسی آن از گذشته علاقه زیادی را در محققین ایجاد کرده است. سه مکانیزم اصلی انتقال حرارت عبارتند از: هدایت همرفت و تشعشع. مطالعات بسیار زیادی بر روی دو مکانیزم اول از گذشته تا کنون صورت گرفته است، اما با علم به این که انتقال حرارت تشعشعی اطراف ما رو کاملا پوشانده از آن بی خبریم این در حالی است که از نگاه فراوانی پرکاربردترین مکانیزم انتقال حرارت در طبیعت همان مکانیزم انتقال حرارت تشعشعی میباشد. دلیل این امر آن است که انتقال حرارت توسط دو مکانیزم اول نیاز به محیط مادی و شرایط خاص (سرعت، اختلاف دما و….) دارند اما مکانیزم سوم در خلاء نیز کارایی دارد و اساسا هر جسمی که دمای بالاتر از صفر درجه کلوین داشته باشد حتما دارای انتقال حرارت تحت این مکانیزم میباشد. کاربرد وسیع انتقال حرارت تشعشعی در دماهای بالا بیشتر میشود بنابراین انتقال حرارت تشعشعی در کوره،ها محفظههای احتراق، انفجارهای هسته ای ، پنل های خورشیدی، فضا پیماها و هر تجهیزی که خارج از جو مورد استفاده قرار میگیرد نقش اساسی را ایفا میکند. انرژی تابشی حرارتی می تواند بصورت امواج الکترومغناطیسی که توسط تئوری موج الکترومغناطیس پیش بینی میشود و یا بصورت بسته های انرژی بدون جرم که فوتون نامیده می شوند و توسط تئوری مکانیک کوانتومی توضیح داده میشوند در نظر گرفته شود. ویژگی جالب انتقال حرارت تابشی این است که انتقال آن نیازمند محیط مادی نمیباشد که همین ویژگی آن را در خلا و کاربردهای فضایی بسیار مهم میسازد تمام شکلهای ماده انرژی حرارتی به شکل تابش را گسیل میکنند که شدت این گسیل وابسته به دمای ماده است.
اهمیت انتقال حرارت تشعشعی:
یکی از فاکتورهایی که از آن به عنوان اهمیت تشعشع حرارتی صحبت میشود وابستگی انتشار تابش به درجه حرارت میباشد انتقال حرارت به صورت جابه جایی و یا هدایت بین دو نقطه مختلف به صورت مستقیم با توان اول اختلاف درجه حرارتهای دو نقطه متناسب است در مورد انتقال انرژی به وسیله تشعشع حرارتی انرژی با اختلاف درجه حرارت با توان ۴ و یا ۵ نسبت مستقیم دارد. در نگاه اول اهمیت انتقال حرارت به وسیله تشعشع در مقایسه با هدایت و جابه جایی در درجه حرارتهای بالا بسیار مشهود است که این مورد در پروسه انتقال حرارت در کوره ها و موتورهای احتراق و پروژه های اتمی بسیار مورد بررسی قرار میگیرد یکی دیگر از مشخصه های انتقال انرژی به وسیله ،تشعشع، عدم نیاز آن به یک محیط مادی می باشد. انرژی به صورت کامل از یک خلا عبور میکند که کاملا با انتقال انرژی به صورت جابه جایی و هدایت که نیاز به یک محیط دارند متفاوت میباشد مثال مشهود آن انتقال حرارت از دیواره های فلاکس میباشد و یا مثال دیگر ،آن انتقال حرارت از یک شاتل که در ماورای زمین کار میکند و تنها راه انتقال حرارت از آن به صورت تابش میباشد. تشعشع حرارتی اهمیت زیادی در طراحیهای صنعتی دارد. این اهمیت از جهات گوناگون قابل بررسی است کارایی ماشینها با افزایش درجه حرارت بالا میرود و همچنین سرعتهای بالا با درجه حرارتهای بالا همراه می گردد
روش راستاهای مجزا (DOM):
بدلیل پیچیدگی در یافتن راه حل تحلیلی دقیق برای معادله دیفرانسیل انتگرالی انتقال تابشی (RTE در محیطهای دخیل در تابش شیوههای عددی متعددی در چند دهه اخیر برای تحلیل معادله(RTE) مورد استفاده قرار گرفته است. این روش ها شامل روش ناحیه ای، روش مونت کارلو، روش شار، روش انتقال مجزا، روش راستاهای مجزا (DOM)، روش حجم محدود، روش (REM) و روشهای دیگر میباشند هر کدام از این روشها مزایا و معایب نسبی خود را دارند و هیچیک از آنها در تمامی جنبه ها بر روشهای دیگر برتری ندارند. روش انتقال حرارت تابشی DOM براساس یک بازنمایی مجزا از تغییرات جهتی شدت تابشی بنا شده است. این روش، یک راه حل برای مساله انتقال بوسیله حل معادله (RTE) برای یک سری جهت های مجزا که کل زاویه فضایی را پوشش میدهند میباشد. روش دیگر مشتق شده از (DOM) بعنوان روش حجم محدود (FVM) شهرت دارد. روش راستاهای مجزا یک روش ساده و جذاب برای حل معادله انتقال تابشی میباشد این روش تعادل خوبی را بین دقت و هزینه محاسباتی ایجاد می کند.
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.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی انتقال حرارت تابشی با روش راستاهای مجزا (DO) در محیط دارای پراکندگی در نرم افزار انسیس فلوئنت(Ansys Fluent) انجام شده است.
هندسه مسئله:
هندسه مسئله در نرم افزار انسیس دیزاین مدلر 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
نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS Fluent)
نرم افزار Ansys 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. اگرچه 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.
حلگر:
نوع حلگر مورد استفاده، حلگر مبتنی بر فشار در شرایط پایا می باشد.
سیال:
سیال مورد استفاده هوا می باشد
مدل انتقال حرارت تابشی:
در این پروژه روش انتقال حرارت تابشی DO یا روش راستاهای مجزا استفاده شده است.
مدل لزجت:
مدل جریان آرام استفاده شده است.
وابستگی سرعت-فشار:
به منظور ارتباط سرعت-فشار از الگوریتم حل کوپل(coupled) استفاده شده است
نمونه نتایج شبیه سازی:
