توضیحات
پروژه شبیه سازی جریان چندفازی در لوله حرارتی یا لوله گرمایی(Heat pipe) در نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT)
با پیشرفت تکنولوژی و نیاز روزافزون به منابع انرژی، امروزه یکی از دغدغه های بشری استفاده بهینه از صورت های مختلف انرژی از جمله انرژی گرمایی می باشد. همچنین نیاز به انتقال گرمای بیشتر و سایر محدودیت های موجود، بهره گیری از طرح های نوین را می طلبد. یکی از موثرترین روش های پیشنهادی در این زمینه استفاده از لوله حرارتی می باشد. لوله های حرارتی به صورت گسترده در بسیاری از زمینه های مهندسی از جمله سیستم های تبدیل انرژی، خنک سازی راکتورها، کاربردهای فضایی و خنک سازی تجهیزات الکترونیکی مورد استفاده قرار گرفته اند. لوله های حرارتی وسایل موثری برای انتقال حرارت در نرخ های بالا می باشند. این وسیله، مقدار زیادی حرارت را در سطح مقطع کوچک و در فواصل طولانی با گرادیان دمای کم و بدون نیاز به توان خارجی منتقل می کند.
لوله حرارتی:
یک لوله حرارتی شامل یک محفظه آب بندی شده است که با یک ساختار یا ماده فتیله ای پوشانده شده است. محفظه کاملاً تخلیه شده و تنها با مقدارکافی مایع برای اشباع کامل فتیله پر شده است. چون لوله های حرارتی در یک سیکل بسته دو فازی عمل می کنند و تنها مایع خالص و بخار درون محفظه وجود دارد سیال عامل تا زمانیکه دمای شرایط کارکرد بین دمای نقطه سه گانه و دمای نقطه بحرانی باشد در شرایط اشباع باقی می ماند.لوله گرمایی یا لوله حرارتی وسیله ای برای انتقال حرارت است که برمبنای اصول هدایت حرارتی و تغییرات فازی سیالات طراحی شده و انتقال حرارت بین دو منطقه سرد و گرم را به بهترین و مهندسی شده ترین شکل با بیشترین بهره وری ممکن می سازد. لوله حرارتی وسیله ای است که می تواند مقادیر بزرگی از گرما را با اختلاف دمای اندک به سرعت میان منبع گرم و منبع سرد انتقال دهد. شاید به همین جهت از لوله حرارتی به عنوان ابررسانا یاد می شود. بازدهی بالای آنها در انتقال حرارت برجسته است، به طوری که یک لوله حرارتی با جداره مسی از لوله تو پر مسی با همان ابعاد بسیار پر بازده تر است. لوله های حرارتی در اشکال و ابعاد گوناگون ساخته می شوند و از ابزارهای دیگر انتقال حرارت، سبکتر هستند و محدودیت های کمتری دارند.
ساختار لوله حرارتی:
همانطور که در شکل نشان داده شده است، یک لوله حرارتی شامل سه ناحیه متمایز است:
1- اواپراتور evaporator (ناحیه دریافت گرما)
2-کندانسور condenser (ناحیه دفع گرما)
3-ناحیه آدیاباتیک یا همدما.
ساختار یک لوله حرارتی از نظر عملی به سه منطقه تقسیم می شود:
الف) منطقه تبخیر یا ناحیه اواپراتور که در یک انتهای لوله قرار دارد و در این منطقه گرما به محفظه وارد می شود. و باعث تبخیر سیال عامل محتوی لوله می شود؛ بنابراین در این بخش گرما دریافت می شود.
ب) منطقه چگالش یا ناحیه کندانسور که در انتهای دیگر لوله است و گرما در این ناحیه دفع می گردد. این بخش از لوله گرمایی در چاه گرمایی قرار دارد. در این قسمت بخار به مایع تبدیل می شود و گرمای نهان تبخیر آزاد می شود.
ج) ناحیه آدیابات یک که بین دو ناحیه اواپراتور و کندانسور را شامل می شود. در این قسمت از لوله گرمایی انتقال حرارتی نداریم. شکل زیر نشان دهنده ساختار لوله حرارتی می باشد.
زمانیکه گرما به ناحیه اواپراتور(evaporator) داده می شود سیال عامل موجود در ساختار ویک تا زمانی که بخار شود گرما می گیرد. دمای بالا و متعاقب آن فشار بالای این ناحیه باعث می شود که بخار به سمت ناحیه خنک کننده کندانسور(condenser) حرکت کند که در این ناحیه بخار کندانس می شود و گرمای نهان تبخیر خود را پس می دهد و سپس نیروهای موئین موجود در ساختار ویک مایع را به سمت اواپراتور پمپ می کند. به طور اساسی یک لوله حرارتی شامل سه جزء اصلی است: محفظه که می تواند از شیشه یا سرامیک یا فلزات ساخته شود. ساختار فتیله ای که می تواند از فایبرگلاس بافته شده و پودر فلز ته نشین شده یا تور سیمی یا مش های سیمی یا شیارها ساخته شود و سیال عامل که می تواند از نیتروژن و هلیوم برای دماهای پایین تا لیتیوم و پتاسیم یا سدیم برای دماهای بالا تغییر کند. که هر سة این اجزاء با در نظرگرفتن نوع ماده و خواص ترموفیزیکی و سازگاری دارای اهمیت یکسان می باشند.
عملکرد لوله حرارتی:
عملکرد لوله حرارتی به این صورت است که، حرارت در منطقه اواپراتور به لوله حرارتی وارد شده و بدین وسیله سیال عامل داخل قسمت فتیله ای، در اثر دریافت گرمای نهان تبخیر، به بخار اشباع تبدیل می شود. بخار اشباع حاصل، در اثر اختلاف فشار به انتهای دیگر لوله حرارتی یا ناحیه کندانسور منتقل می شود. این منطقه در ناحیه خنک تری قرار داشته و از این رو بخار اشباع، گرمای نهان تبخیر خود را از دست داده و تقطیر می شود. مایع اشباع حاصل، از طریق ساختار فتیله ای توسط نیروی مویینگی به قسمت اواپراتور بازگردانده می شود و سیکل مجددا تکرار می شود تا گرما به طور پیوسته از ناحیه گرم به ناحیه سرد منتقل شود. در لوله حرارتی، نیروی پیشران عبارتست از اختلال موضعی فشار بخار بین اواپراتور (انتهای گرم لوله) و کندانسور(انتهای سرد لوله). موقعی که به مایع درون اواپراتور گرما داده می شود فشار بخار اصلی افزایش می یابد و سیال اواپراتور در طول وسیله به طرف ناحیه ی کندانسور که دارای فشار کم بخار است، حرکت می کنند.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی جریان چندفازی در لوله حرارتی یا لوله گرمایی(Heat pipe) در نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT) انجام شده است.
هندسه مسئله:
به منظور ترسیم هندسه مسئله از نرم افزار انسیس دیزاین مدلر(ANSYS Design Modeler) استفاده شده است.
شبکه و مش:
شبکه و مش در نرم افزار انسیس مشینگ(ANSYS Meshing) تولید شده است.
شبیه سازی و حل:
به منظور شبیه سازی از نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT) استفاده شده است.
حلگر:
حلگر مورد استفاده، حلگر فشار مبنا (Pressure based) در شرایط گذرا (Transient) است.
مدل جریان چندفازی(VOF):
مدل جریان چندفازی بکاربرده شده در این پروژه، مدل VOF می باشد.
مدل لزجت:
مدل لزجت استفاده شده در این پروژه مدل آشفتگی دومعادله ای K-ε است.
سیال:
سیالات بکاررفته در این پروژه آب، بخار آب و هوا می باشند.
وابستگی سرعت-فشار:
الگوریتم سیمپل(SIMPLE) برای حل معادلات وابستگی سرعت-فشار استفاده شده است.
نمونه نتایج شبیه سازی:
