آموزش شبیه سازی انتقال حرارت و تغییر فاز یک ماده pcm در یک لوله

آموزش شبیه سازی انتقال حرارت و تغییر فاز یک ماده pcm در یک لوله

(دیدگاه کاربر 1)

750,000 تومان

( آخرین بروزرسانی : 14 شهریور, 1401 )

بررسی اجمالی محصول

با خرید این محصول، ویدئوی آموزش شبیه سازی انتقال حرارت و تغییر فاز یک ماده pcm در یک لوله با نرم افزار ansys fluent به همراه فایل شبکه بندی آن (msh.) را دریافت خواهید کرد.

نقد و بررسی : آموزش شبیه سازی انتقال حرارت و تغییر فاز یک ماده pcm در یک لوله

مقدمه­ ای بر مواد تغییر فاز دهنده

به طور کلی انرژی حرارتی در مواد به دو صورت ذخیره می­ شود؛ گاهی در یک فاز ثابت، دمای فاز با دریافت حرارت افزایش می­ یابد که به این نوع گرمای دریافتی، گرمای محسوس می ­گویند و گاهی ماده در یک دمای ثابت، با دریافت حرارت تغییر فاز م ی­دهد که به این نوع گرمای دریافتی، گرمای نهان می گویند. مواد تغییر فاز دهنده (phase change material)، موادی با ترکیبات معدنی یا آلی هستند که قابلیت جذب و ذخیره­ مقدار زیادی  از انرژی حرارتی نهان را در خود دارند. ذخیره­ انرژی حرارتی در این مواد، در طی فرایند تغییر فاز (فاز جامد به مایع و یا بالعکس) حاصل می­ گردد؛ به طوری که در زمان تغییر فاز از جامد به مایع، گرما را از محیط جذب کرده و در زمان تغییر فاز از مایع به جامد، گرما را به محیط پس می­ دهند. البته گرمای نهان در مواد تغییر فاز دهنده از سه حالت تغییر فاز جامد-جامد، جامد-مایع و جامد-گاز به دست می­ آید؛ اما از آنجایی که در حالت جامد-گاز، گرما یا فشار بسیار زیادی لازم است و حالت جامد-جامد نیز بسیار به کندی انجام می­ گیرد، بنابراین بیشتر مواد تغییر فاز دهنده در حالت جامد-مایع هستند. این مواد تغییر فاز دهنده دارای دماهای ذوب یا انجماد متنوعی می­ باشند و از این ­رو در سیستم­ های سرمایشی و گرمایشی مورد استفاده قرار می­ گیرند؛ بدین صورت که به عنوان مثال، این مواد گرمای خورشید را در روزهای گرم در قالب گرمای نهان دریافت کرده و ذوب می­ شوند و  سپس در هوای خنک شب، دوباره با تغییر فاز و فرایند انجماد، گرمای خود را به محیط پس می­ دهند.

 

 

 

 

شرح مسأله

مسأله­ حاضر مربوط به شبیه ­سازی مواد تغییر فاز دهنده پرداخته است. این مواد تغییر فاز دهنده درون یک مبدل حرارتی لوله سه لایه­ ای به عنوان مخزن ذخیره­ گرمای نهان قرار می ­گیرند؛ به طوری که جریان مایع از لوله­ داخلی می ­گذرد، بدنه­ لوله­ داخلی و پره­ های آن به صورت فاز جامد می ­باشند و در بین فضای این دو فاز مایع و جامد نیز مواد تغییر فاز دهنده قرار گرفته ­اند. جنس بدنه­ لوله­ داخلی و پره­ های آن از مس می ­باشد که انتقال حرارت مناسبی دارد و مایع جاری در لوله­ داخلی از نوع سیلیکون مایع می ­باشد و همچنین ماده­ تغییر فاز دهنده از نوع اریترتول می­ باشد. با توجه به این که ماهیت مواد تغییر فاز دهنده­ مدل حاضر بر مبنای تغییر فاز بین دو فاز جامد و مایع است، برای شبیه ­سازی از مدل solidification and melting استفاده شده است. فرایند شبیه سازی در بازه­ زمانی 12000 ثانیه انجام شده است. هدف از مسأله­ حاضر، بررسی رفتار سیالاتی و انتقال حرارتی مواد تغییر فاز دهنده و تغییرات نسبت جرم مایع موجود در مخلوط جامد و مایع، بر اساس ابعاد و شرایط فیزیکی فین­ های لوله و همچنین خواص مایع داخلی می ­باشد.

 

برای شبیه­ سازی حاضر از چند فرض استفاده شده است:

  • حل مسأله بر اساس دیدگاه pressure-based انجام گرفته است.
  • شبیه ­سازی مذکور از نظر زمانی به صورت ناپایا می ­باشد.
  • اثر گرانش زمین بر روی مدل نادیده فرض شده است.

 

 

گام 1) تعریف هندسه و شبکه ­بندی

هندسه­ مدل مذکور به صورت سه­ بعدی و با استفاده از نرم ­افزار design modeler طراحی شده است. مدل حاضر به صورت یک لوله­ خارجی می­ باشد که دارای یک لوله­ داخلی هم ­مرکز خود و با شعاع کمتر به همراه هشت پره جوش خورده روی بدنه­ آن می ­باشد. جریان مایع از درون لوله­ داخلی می­ گذرد و ضخامت لوله­ داخلی به همراه پره ­های آن به عنوان فاز جامد محسوب می­ شوند و در فضای بین این دو فاز جامد و مایع، مواد تغییر فاز دهنده قرار گرفته اند. با توجه به ساختار متقارن هندسی مدل، می ­توان شبیه­ سازی را بر روی یک قطعه­ سه ­بعدی با مقطع قطاعی شکل به اندازه­ یک ­هشتم مدل سه بعدی اصلی انجام داد.

 

 

برای شبکه­ بندی مدل حاضر از نرم­ افزار ansys meshing و شبکه ­بندی نیمه سازمانی استفاده شده است. تعداد سلول­ های تولید شده در شبکه­ بندی حاضر، برابر 107718 می ­باشد.

 

 

 

گام 2) مراحل شبیه­ سازی

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

 

 

 

معرفی مدل solidification and melting

برای تعریف فرایند تغییر فاز در فلوئنت روش­ های مختلفی وجود دارد. برای تعریف تغییر فاز از حالت گاز به مایع یا مایع به گاز، از مدل­ های چند فازی و فرایند انتقال جرم بین دو فاز استفاده می­ شود؛ برای تعریف تغییر فاز از حالت گاز به جامد، از مدل فاز گسسته و حالت ته­ نشینی استفاده می­ گردد؛ و درنهایت برای تعریف تغییر فاز از حالت مایع به جامد و جامد به مایع از مدل ذوب و انجماد استفاده می­ کنند. از آنجایی که مسأله­ حاضر شبیه ­سازی مواد تغییر فاز شونده­ نوع جامد-مایع می­ باشد، این مدل مورد استفاده قرار گرفته است.

این روش برای رهگیری کامل جبهه­ مایع و جامد، به جای روش پیگیری مرز جامد و مایع به صورت صریح، از تکنیک فرمولاسیون تخلخل آنتالپی (porosity-enthalpy) استفاده می­ شود. در منطقه­ ای که دربرگیرنده­ مایع و جامد است، یک ناحیه­ خمیری جامد-مایع (Mushy zone) به وجود می ­آید که مانند محیط متخلخل رفتار می ­کند؛ به طوری که مقدار تخلخل این محیط برابر کسر حجمی مایع می­ باشد. همچنین در معادلات مومنتوم یک ترم چاهی (sink) به عنوان تعیین کننده­ افت فشار ناشی از وجود ماده­ جامد (یا کاهش تخلخل یا همان کاهش کسر حجمی مایع در نواحی جامد) ظاهر می ­گردد.

برای استفاده از مدل ذوب و انجماد باید حداکثر دمایی که در آن فقط فاز جامد حاکم است (Tsolidus)، حداقل دمایی که در آن فقط فاز مایع حاکم است (Tliquidus) و گرمای نهان ذوب حلال در حالتی که خالص باشد (Pure solvent melting heat) را برای مدل تعریف نمود. این مقادیر برای دو سیال تعریف شده در این مسأله (سیلیکون و ارتریتول) در جدول زیر ارائه شده است.

 

 

پس از فعال­سازی مدل solidification and melting، خواص دمایی جدیدی برای سیال­ های تعریف شده در مسأله فعال می­ گردد که در جدول فوق به آنها اشاره شده است. از آنجایی که فرایند ذوب و انجماد درون ماده­ اریترتول تحت عنوان ماده­ pcm صورت می­ گیرد، این ماده دارای نقطه­ دمای ذوب و انجماد و همچنین نرخ گرمای نهان ذوب می­ باشد که عامل اصلی در فرایند ذوب و انجماد ماده­ pcm است؛ اما این در حالی است که مایع سیلیکون که نقشی در فرایند تغییر فاز مدل ندارد، نقطه­ ذوب و انجماد آن با یک­دیگر برابر و دارای نرخ گرمای نهان صفر است.

 

 

گام 3) نتایج نهایی

پس از پایان فرایند حل، کانتورهای دو ­بعدی و سه­ بعدی مربوط به نسبت جرم مایع به جرم مخلوط مایع و جامد و دما در ثانیه­ پایانی شبیه­ سازی حاصل شده است. ضمناً کانتور تغییرات کسر جرمی مایع به مخلوط جامد و مایع در زمان­ های مختلف به دست آمده است.

 

 

 

 

1 دیدگاه برای آموزش شبیه سازی انتقال حرارت و تغییر فاز یک ماده pcm در یک لوله
  1. nima akbarian

    کار جالبی بود. به شبیه سازی مواد pcm خیلی علاقه مندم و این کار کمک زیادی به من کرد

افزودن دیدگاه