شبیه سازی دوبعدی دودکش خورشیدی

مقدمه­ ای بر انرژی خورشیدی :

امروزه با توجه به معضلات ناشی از مصرف سوخت های فسیلی مانند افزایش آلودگی هوا، افزایش تولید گازه ای گلخانه­ ای و همچنین محدود بودن این منابع، جهان رو به استفاده از انرژی­ های نو مانند انرژی خورشیدی، امواج، هیدرواستاتیکی، انرژی بادی و زمین گرمایی آورده است. انرژی خورشیدی یکی از پاک ترین و در دسترس ترین منابع انرژی برق در کره زمین و به خصوص مناطقی با تابش بالای سالانه پرتوهای خورشیدی، مثل کشور ایران می­باشد. یکی از روش­های بهره برداری از انرژی خورشیدی، استفاده از دودکش­ های خورشیدی است.

دودکش خورشیدی :

اساس کار در دودکش خورشیدی، اختلاف چگالی و اختلاف فشار ناشی از افزایش دما درون کلکتورهای خورشیدی است که به عنوان نیرو محرکه­ عمل می­کند. در سیستم یک دودکش خورشیدی، یک سقف شفاف وجود دارد که قابلیت جذب انرژی تشعشع خورشیدی را دارد. از طرفی، هوای ورودی به سیستم از کناره­ های این سقف، در فضای بین سقف و زمین جمع می­شود؛ درواقع این سقف شفاف و زمین به عنوان یک کلکتور ظاهر می­شوند. هوای موجود در این فضا با دریافت حرارت سقف­ ها گرم می­شود و به دلیل سبک بودن، به سمت بالا حرکت می­کند. در قسمت میانی این سقف، یک دودکش یا برج عمودی قرار داده شده است که با توجه به اختلاف فشار به وجود آمده بین جریان هوای گرم و هوای سرد، موجب ایجاد مکش هوای گرم به ناحیه­ ی درونی دودکش در جهت بالا می­گردد. به طور کلی این دودکش ­ها به دو دسته تقسیم می­گردند. دسته­ ی اول، دودکش­ های مخصوص تولید برق هستند که دارای مقیاس صنعتی می­باشند؛ عملکرد آنها بدین صورت است که در مسیر حرکت رو به بالای هوای گرم، یک یا چند توربین باد قرار گرفته که با دریافت انرژی حاصل از مکش جریان گرم، انرژی مکانیکی قابل توجه ای ایجاد می­کند و در ادامه، با استفاده از ژنراتور انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی تبدیل می­گردد. دسته­ ی دوم، دودکش­ های مخصوص تهویه برای سرمایش و گرمایش هستند که در مقیاس مسکونی به کار گرفته می­شود؛ عملکرد آنها بدین صورت است که با ایجاد نیروی شناوری و مکش هوای گرم به سمت بالا، هوای گرم از بخش پایین درون ساختمان جذب و از قسمت انتهای بالایی خارج می­شود که این­گونه باعث سرمایش درون ساختمان می­شود و همچنین، در صورتی که بخش بالایی دودکش بسته شود، می­توان با تعبیه­ ی فن، جریان گرم را وارد ساختمان کرد که این گونه باعث گرمایش داخل ساختمان می­شود. شکل 1 شماتیکی از هر دو نوع دودکش خورشیدی را نشان می­دهد.

الف

ب

شکل 1 : شماتیکی از دودکش خورشیدی؛ الف) مقیاس صنعتی، ب) مقیاس مسکونی

شرح مسأله :

در این مدلسازی، یک دودکش خورشیدی خانگی مدلسازی شده است. بخش پایین دودکش از یک صفحه­ ی جاذب گرمای حاصل از تشعشع خورشید ساخته شده است که در شبیه ­سازی حاضر به صورت دما ثابت فرض شده است. همچنین سطح زمین زیر این دودکش دارای دمای مشخصی می­باشد. دیواره­ ی دودکش به صورت عایق فرض شده است تا از اتلاف حرارت جلوگیری نماید. هوا در بخش ورودی زیر سطح جاذب دارای فشاری برابر فشار اتمسفر است؛ در حالی که فشار در قسمت خروجی دودکش پایین­تر از فشار اتمسفر می­باشد. این امر موجب مکش جریان هوا به سمت بالای دودکش می­شود که بدین ترتیب هوای گرم از درون دودکش تخلیه می­گردد.

برای شبیه ­سازی حاضر، چند فرض لحاظ شده است:

• مسأله از نظر زمانی ناپایا (unsteady) می­باشد.
• جریان تراکم ناپذیر فرض شده است.
• اثر گرانش (gravity) در نظر گرفته شده است.

گام 1) ترسیم هندسه

مدلسازی دودکش خورشیدی به صورت دوبعدی با استفاده از نرم ­افزار design modeler صورت گرفته است. شکل 2 نمایی از هندسه­ ی ترسیمی را نشان می­دهد.

شکل 2 : نمایی از هندسه­ ی ترسیمی

گام 2) شبکه­ بندی

مش ­بندی مدل حاضر توسط نرم­افزار ansys meshing انجام گرفته است. شبکه ­بندی صورت گرفته از نوع با سازمان (structure) است و درمجموع 106323 سلول تولید شده است. شکل 3 نمایی از شبکه را نشان می­دهد.

گام 3) تعریف set up و حل مسأله

خلاصه ­ای از مراحل تعریف مسأله و تعریف حل آن در جدول 1 آمده است :

جدول 1 : خلاصه مراحل شبیه­ سازی  و فرایند حل

مدل آشفته k-epsilon-standard : از آنجایی که در مدل حاضر، به بررسی اثر انرژی شناوری پرداخته شده است، مدل k-epsilon-standard مناسب است.

تابع دیواره­ی enhanced : چون از مدل جریان آشفته­ ی k-epsilon استفاده شده است و این مدل قادر به شبیه­ سازی گردابه­ های جریان در نزدیکی دیواره ­ها نیست، جهت بررسی رفتار سیال نزدیک دیواره، باید تابع عملکردی دیواره تعریف گردد. این توابع دیواره، پروفیل ­های تحلیلی جریان در نزدیکی دیواره هستند که با استفاده از حل صریح معادلات جریان در نزدیکی دیواره به دست آمده­ اند؛ از این­رو، نسبت به روش­ های عددی دارای دقت بهتری هستند و همچنین به دلیل عدم نیاز به مش ­بندی در نزدیکی دیواره، به مقدار قابل توجه ی محاسبات را کاهش می­دهند. باید به این نکته توجه گردد که در زمان استفاده از مدل k-epsilon به دلیل عدم شبکه­ بندی در نزدیکی دیواره ­ها، نیاز به بررسی عملکرد توابع دیواره با استفاده از y⁺ می­باشد؛ به طوری که در حالت enhanced مقدار مناسب برای y⁺ باید حدود یک به دست بیاید. تابع دیواره­ ی enhanced عمدتاً برای جریان ­های رینولدز پایین و مدل­های دارای شبکه ­بندی ریزتر مناسب است.

بررسی پدیده مکش : وقتی دمای هوا به وسیله­ ی صفحات جاذب خورشیدی افزایش می­یابد، سبک­تر می­شود و چگالی آن کاهش می­یابد؛ این امر موجب افت فشار و ایجاد مکش برای جریان رو به سمت بالا می­شود. از این­رو، در شرایط مرزی از فشار خلاء استفاده شده است.

خدمات شرکت پردازشگران مهر

برای مدلسازی و شبیه سازی دودکش خورشیدی، در نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) با ما تماس بگیرید. شرکت ما کارشناسان را در زمینه های مختلف مهندسی جمع آوری کرده است تا از کیفیت شبیه سازی CFD اطمینان حاصل شود. شرکت مهر اولین شرکتی است که شما می توانید با اطمینان خاطر سفارش پروژه CFD خود را آنلاین انجام دهید. یکی از اهداف ما این است که استفاده از روش های قدرتمند محاسباتی دینامیک سیالات را افزایش داده و مهندسان و کسانی که به دنبال دانش حرفه ای در CFD هستند را آموزش دهیم.

شبیه سازی های دینامیک سیالات محاسباتی با خدمات ما آسان خواهد شد. برای آموزش کاربرد های CFD و نرم افزارهای شبیه سازی با ما تماس بگیرید. پیشنهاد ما به شما خدمات زیر است. آموزش فلوئنت ,آموزش دینامیک سیالات محاسباتی ,انجام پروژه فلوئنت,مشاوره CFD ,شبیه سازی با فلوئنت,انجام شبیه سازی با فلوئنت,مشاوره پایان نامه فلوئنت,آموزش پایان نامه فلوئنت. مهندسان با تجربه ما مشاوره پیشرفته و پشتیبانی فنی مناسب را برای پروژهای دانشگاهی و صنعتی در اختیار شما قرار خواهند داد. شرکت پردازشگران مهر دارای سال ها تجربه در مدیریت و انجام پروژه های CFD است. ما آماده ایم که بهترین خدمات شبیه سازی را در فیلدهای مختلف مهندسی به شما ارائه دهیم.