توضیحات
پروژه شبیه سازی انتقال حرارت در رادیاتور خودرو در نرم افزار استار سی سی ام (+Star-CCM)
Simulation of Heat Transfer in Car Radiator Using Star-CCM+ Software
رادیاتور:
رادیاتور، نوعی مبدل حرارتی است که برای انتقال گرمای مایع خنک‌کننده به هوا (با دمیدن فن به آن) طراحی شده است. در واقع محفظه‌ای مشبک برای خنک کردن آبی است که با گرفتن گرمای موتور داغ شده و از آن خارج می‌شود. فضای داخل رادیاتور به صورت شبکه بندی بوده و تبادل حرارتی بسیار زیادی با هوا داشته و آب داغ را به سرعت خنک کرده و آماده انتقال مجدد به موتور می‌کند.
رادیاتور خودرو یک مبدل حرارتی است که براي گرفتن حرارت از موتور و انتقال آن به رادیاتور جهت تخلیه در هواي اطراف مورد استفاده قرار می گیرد. سیال مورد استفاده در رادیاتور خودرو مخلوطی از آب و اتیلن گلیکول است، آب نسبت به اتیلن گلیکول از ظرفیت حرارتی بسیار بالاتري برخوردار است. این به معنی آن است که این سیال حرارت بسیار بالایی را جذب می کند، در حالی که افزایش دمایی کمی را نشان می دهد. با وجود این فرایند جذب و دفع حرارت توسط این سیال بسیار آرام است و به خاطر پایین بودن سرعت تخلیه حرارت، نیاز به حجم زیادي از سیال خنک کننده بوده و ابعاد رادیاتور مورد استفاده بزرگ می باشد که در جلوي وسیله نقلیه نصب می گردد.
رادیاتور سه قسمت اصلی دارد که عبارتند از شبکه‌ی خنک‌کن رادیاتور و منبع‌های ورودی و خروجی. رادیاتورهای قدیمی را به طور کامل از مس می‌ساختند. اکنون شبکه‌ی خنک کن را معمولاً از آلومینیم می‌سازند و منبع ها پلاستیکی یا فلزی‌اند. شبکه‌ی خنک‌کن رادیاتور دو دسته گذرگاه دارد. یک دسته از آنها لوله‌اند و دسته‌ی دیگر پرههایی هستند که به این لوله‌ها متصل‌اند. لوله‌ها منبع ورودی را به منبع خروجی متصل می‌کنند. آب از طریق این لوله‌ها از منبع ورودی به منبع خروجی می‌رود و هوا از بین پره ها عبور می کند. گرمای آب داغ، که از درون لوله‌ها می‌گذرد، به پرهها انتقال می‌یابد. هوای بیرون که از بین پره ها می‌گذرد گرمای آنها را جذب می‌کند و با خود می‌برد در نتیجه دمای آب کاهش می‌یابد.
انواع رادیاتور:
شبکه رادیاتورها شامل دو نوع فین تیوب و کروگیت است:
١-رادیاتور فین‌تیوب (fin-Tube) :
در این نوع رادیاتور امتداد لوله‌ها عمود بر راستای پره ها است و لوله‌ها از داخل پره ها عبور می‌کنند که در آن آب از بخش بالا وارد شده و پس از خنک شدن از کف رادیاتور روانه موتور می شود.
٢-رادیاتورهای کروگیت (corrugate) :
در این نوع رادیاتورها لوله‌ها از داخل پرهها عبور نمی‌کنند بلکه پرهها به صورت موج دارند و لوله‌ها در امتداد پره ها روی نوك فین قرار داده می‌شوند که در آن آب از یک طرف رادیاتور وارد شده و پس از پیمودن عرض رادیاتور از طرف دیگر خارج می‌شود. در حالت کلی مونتاژ رادیاتورهای کروگیت راحت‌تر و سریع‌تر از نوع فین‌تیوب است و امکان اتوماسیون آن وجود دارد ولی رادیاتورهای فین‌تیوب به دلیل درگیر شدن لوله و پره با یکدیگر، استحکام مکانیکی بیشتری دارند. رادیاتورها از لحاظ جنس به دونوع آلومینیمی و مسی و برنجی تقسیم می‌شوند. ظرفیت مایع خنک کننده در حدود ٧ الی ٨ لیتر در مدار می‌باشد.
دینامیک سیالات محاسباتی:
دینامیک سیالات محاسباتی یکی از زیر شاخه هاي مهم و بنیادي از علوم مهندسی، مکانیک سیالات می‌باشد که به تحلیل و بررسی سیال و جریان سیال می‌پردازد. به عنوان مثال می‌توان به بررسی جریان هواي یک سیستم تهویه مطبوع در یک اتاق، تحلیل و بررسی توزیع دماي بدنه فضاپیماها در جریان ماوراء صوت، بهینه سازي شکل مقاطع آیرودینامیکی براي رسیدن به هدف مشخص و امثالی از این قبیل اشاره کرد. روش‌هاي بررسی و تحلیل جریان را می‌توان در سه دسته روش‌هاي تجربی، روش‌هاي تحلیلی و روش‌هاي عددي تقسیم بندي کرد. البته روش‌هاي نیمه تجربی یا مهندسی نیز با تلفیق روش‌هاي تجربی و تحلیلی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. بالا رفتن سطح پیچیدگی تحلیل و طراحی‌ها باعث شده تا استفاده از روش تجربی در اکثر موارد غیر ممکن و در صورت امکان هم هزینه‌هاي هنگفتی را بطلبد. انتخاب یکی از دو روش دیگر بستگی به دقت مورد نیاز براي پارامترهاي جریان از جمله ضرائب آیرودینامیکی، توزیع فشار و توزیع سرعت دارد. با توجه به اینکه در ارتقاء طراحی‌ها به دقت‌هاي بالایی نیاز می‌باشد و روش‌هاي مهندسی هم نمی‌توانند تحلیل دقیق و قابل قبولی از مسئله داشته باشند، بنابراین با مدل سازي مسئله و حل معادلات حاکم بر جریان سیال می‌توان به نتایج مطلوبی دست یافت. نتایج حاصل شده از حل عددي معادلات گرچه از نظر دقت نسبت به نتایج تجربی توان کمتري دارند ولی نسبت به روش‌هاي مهندسی داراي دقت بسیار بالایی هستند. بطور کلی براي شبیه سازي عددي جریان سیال باید مجموعه معادلات بقاي حاکم بر آن شامل بقاء جرم، اندازه حرکت و انرژي (معاملات ناویر استوکس) حل شوند. این معادلات از نوع معادلات مشتقات پاره‌اي بوده و ثابت شده است که این معادلات به جز در موارد بسیار خاص بصورت تحلیلی قابل حل نمی‌باشند؛ بنابراین معادلات فوق باید بصورت عددي حل شوند. با گسسته سازي معادلات و میدان می‌توان معادلات ناویر استوکس با مشتقات پاره‌اي را به معادلات جبري تبدیل نمود و به حل آنها پرداخت.
تاریخچه CFD:
سرگذشت پیدایش و گسترش دینامیک محاسباتی سیالات را نمی توان جدای از تاریخ اختراع، رواج و تکامل کامپیوترهای ارقامی نقل نمود. تاحدود انتهای جنگ جهانی دوم، بیشتر شیوه های مربوط به حل مسائل دینامیک سیالات از طبیعتی تحلیلی یا تجربی برخوردار بودند. همچون تمامی نوآوری های برجسته علمی، در این مورد هم اشاره به زمان دقیق آغاز دینامیک محاسباتی سیالات نامیسر است. در اغلب موارد، نخستین کار با اهمیت در این رشته را به ریچاردسون نسبت می دهند که در سال ۱۹۱۰ محاسبات مربوط به نحوه پخش تنش، در یک سد ساخته شده از مصالح ساختمانی را به انجام رسانید. در این کار ریچاردسون از روشی تازه موسوم به رهاسازی برای حل معادله لاپلاس استفاده نمود. او در این شیوه حل عددی، داده های فراهم آمده از مرحله پیشین تکرار را برای تازه سازی تمامی مقادیر مجهول در گام جدید به کار گرفت. از سال های ۱۹۶۰ به بعد صنعت هوافضا روش های دینامیک سیالات محاسباتی را در طراحی، تحقیق، توسعه و ساخت موتورهای هواپیما و جت به کار گرفته است.
روش های عددی مورد استفاده در CFD:
روش های عددی مورد استفاده در دینامیک سیالات محاسباتی عبارت است از:
۱- روش المان محدود؛
۲- روش حجم محدود؛
٣- روش تفاضل محدود؛
4-روش های طیفی.
در بین این روش ها، روش حجم محدود دارای کاربرد بیشتری می باشد و بیشتر نرم افزارهای تجاری، مانند نرم افزار انسیس فلوئنت در زمینه دینامیک سیالات محاسباتی نیز بر مبنای این روش بسط و توسعه یافته اند.
مراحل برنامه CFD:
۱) مدلسازی هندسه مسئله
۲) تولید شبکه مناسب برای حل
۳) انتخاب معادلات مناسب جهت حل
۴) تعریف شرایط مرزی
۵) گسسته سازی معادلات حل
۶) اجرای برنامه کامپیوتری
7) نتایج آماری و نموداری.
نرم افزار استار سی سی ام ( +STAR-CCM):
نرم افزار استار سی سی ام(+ Star-CCM) محصولی از شرکت CD-ADAPCO می باشد و به دلیل پیشرفتهای چشمگیری که در زمینه های حل عددی دست یافته به یکی از مدرن ترین نرم افزارها در بین رقبای این دسته تبدیل شده است. این نرم افزار شامل آخرین الگوریتم های عددی مانند حل های پیشرفته، حل مجزا و حل متصل بوده که از پیشرفته ترین تکنیک های برنامه نویسی استفاده کرده است. تمام این موارد اجازه می دهد تا این نرم افزار دارای دقتی بی سابقه، قابلیت اطمینان و انعطاف پذیری زیاد در حل مسائل پیچیده دینامیکی داشته باشد. این نرم افزار شامل ابزاری قدرتمند برای تولید شبکه های جدید بوده که می توان برای ساخت سلول های چندوجهی در کوتاه ترین زمان از آن استفاده کرد.
+Star-CCM جامع ترین شبیه سازی فیزیک مهندسی جهان را در داخل یک بسته یکپارچه فراهم می کند.+ Star-CCM بیشتر از یک حلگر CFD، یک فرآیند مهندسی برای حل مسائل مربوط به جریان(مایعات و گازها) و انتقال حرارت می باشد. +Star-CCM مجموعه ای شامل تمامی اجزای فرآیند مهندسی است که طیف وسیعی از نیازهای مدلسازی را فراهم می کند. برخی از اجزای این مجموعه شامل طراحی سه بعدی اجسام، ابزار آماده سازی سطوح مختلف، فناوری مش خودکار، مدل های فیزیکی از پیش تعیین شده، مدلسازی جریان مغشوش، پردازش اطلاعات است. اساس کار +Star-CCM فناوری برنامه نویسی شی- چرخشی می باشد. این برنامه برای استفاده سریع و آسان برای مدل های بزرگ طراحی شده که از سرورهای منحصر به فرد معماری استفاده می کند که به طور منحصر به فردی مش زده و پردازش های قبل از حل مسئله را همزمان و بدون نیاز به انجام کار خاصی از طرف کاربر انجام می دهد. نرم افزار استار سی سی ام اخیرا به اولین پکیج تبلیغاتی CFD تبدیل شده که قادر است مسئله ای با بیش از یک بیلیون سلول را حل کند.
مدل های فیزیکی:
مدل های فیزیکی بسیاری در نرم افزار استار سی سی ام(+Star-CCM) به طور پیش فرض وجود دارد تا محیط نرم افزاری آن را به محیطی ساده برای مدیریت تنظیمات حل تبدیل کند. برخی از مدل های موجود در این نرم افزار عبارت اند: از:
- حلگر
- زمان
- اغتشاش
- تراکم پذیر
- انتقال گرما
- چند فازی
- مش متحرک
- واکنش شیمیایی و احتراق
- محیط متخلخل.
مدل های جریان مغشوش در نرم افزار + STAR-CCM:
نرم افزار استار سی سی ام (+Star-CCM) مدل های مغشوش متعددی را در پیش فرض برخی از این مدل ها عبارت اند از:
- مدلK-Epsilon
- مدل K-Omega
- مدل اغتشاش رینولدز
- مدل های اغتشاشی Spalart-Allmaras
- انتقال لایه مرزی
- مدل های عددی گردابه
- شبیه سازی گردابه بزرگ
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی جریان و انتقال حرارت در مبدل گرمایی مورد استفاده در رادیاتور خودرو در نرم افزار استار سی سی ام(Star-CCM+) انجام شده است.
هندسه مسئله:
شبکه محاسباتی:
سیال:
سیال مورد استفاده هوا و آب می باشد. آب به عنوان سیال خنک کننده رادیاتور درنظرگرفته شده است.
نمونه نتایج شبیه سازی:
