تابش خورشیدی در ساعات مختلف، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

شرح پروژه (تابش خورشیدی)

هدف از این مسأله، شبیه سازی عددی تابش خورشیدی (solar radiation) در ساعات مختلف با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) است.

به دلیل انحنای محور زمین به دور خورشید، در فصول مختلف سال، شدت و زوایای تابش متفاوتی دریافت می‌کند. بنابراین تابش بیشتری در مناطق گرمسیری به دلیل شدت و زاویه تابش نزدیک به صفر دریافت می‌شود.

از سوی دیگر، عرض جغرافیایی (latitude)، طول جغرافیایی (longitude) و فاصله از مبدأ گرینویچ (Greenwich) نشان دهنده مکانی منحصر به فرد برروی زمین برای نشان دادن یک شهر است. مدل‌سازی همزمان رسانایی (conduction)، همرفتی (convection)، و تابش خورشیدی (solar radiation) می‌تواند سطوح در معرض انتقال گرما را پیش‌بینی کند و نقاط دمایی بحرانی را پیدا کند.

در این پروژه، اثرات تابش خورشید در محیطی که جریان هوا برقرار است، بررسی شده است. علاوه براین، انتقال حرارت هدایتی در اجسام جامد در نظر گرفته شد.

میزان تابش دریافتی با ویژگی‌های جغرافیایی باکو (Baku) پایتخت کشور آذربایجان در ساعت 8 صبح و 3 بعد از ظهر روز 21 ژوئن مدل‌سازی شد. سرعت هوای آزاد 10 متر بر ثانیه با دمای 27 درجه سانتیگراد بود.

مشخصات خاک، آجر و چوب برای زمین، خانه و درخت داده شد. درنهایت، با بررسی شار تابش، دمای سطح اجسام و میانگین دمای داخل خانه، مقدار گرمای تابشی در صبح و ظهر تعیین شد.

هندسه مدل حاضر با استفاده از نرم افزار دیزاین مدلر (Design Modeler) ترسیم شده است. سپس مدل با استفاده از نرم افزار انسیس مشینگ (ANSYS Meshing) مش بندی می‌شود. مش بندی مدل از نوع بدون سازمان (unstructured) است و 2054294 سلول ایجاد شده است.

روش‌های استفاده شده

در این شبیه سازی، از مدل تابشی (radiation model) برای تعریف انتقال حرارت تشعشعی استفاده می‌شود؛ زیرا روش اصلی انتقال حرارت برای تحلیل حرارتی در این پروژه، روش انتقال حرارت تابشی می‌باشد. بنابراین، مدل جهات گسسته (discrete ordinate (DO)) برای تعریف تابش استفاده می‌شود.

مدل جهات گسسته برای مواردی استفاده می‌شود که معادلات انتقال حرارت تابشی برای تعداد محدودی از زوایای جامد گسسته حل شده است. این مدل جامع‌ترین مدل تابشی است.

برای پراکندگی نور، محیط‌های نیمه شفاف (semi-transparent)، سطوح براق مانند آینه‌ها و انتقال‌های وابسته به طول موج (wavelength) استفاده می‌شود.

همچنین، از ردیابی اشعه خورشیدی (Solar Ray Tracing) برای تعریف تابش خورشیدی در ناحیه محاسباتی مدل استفاده شده است. در این مسئله، طول و عرض جغرافیایی، منطقه زمانی و روز و ساعت تابش مشخص می‌شود. براساس این داده‌ها، شدت تابش خورشیدی و جهت تابش خورشیدی به دست می‌آید.

نتایج

پس از پایان فرایند حل، کانتورهای (contour) دما و شار حرارت تابشی به دست می آید. همچنین حداکثر دما در ناحیه محاسباتی برای دو مورد مطالعاتی (ساعت 8 و 15) به دست می‌آید.

مشاهده شد که با توجه به میزان تابش دریافتی دامنه محاسباتی در ساعات مختلف، با نزدیک شدن به ساعت 15 با افزایش شدت و زاویه تابشی نسبت به ساعت 8، اختلاف 6 درجه از حداکثر دما به دست آمد.

حداکثر دما حدود 312 درجه کلوین در ساعت 8 صبح و 318 درجه کلوین در ساعت 3 بعد از ظهر بود. با توجه به مناطق امن حرارتی از نظر دمایی بین خانه‌ها و سایه درخت، میزان شار تابش دریافتی در این مناطق برای دو حالت مختلف در محدوده 50 تا 70 وات بر مترمربع بوده که نشان می‌دهد با افزایش گرمای دریافتی از خورشید، در مناطق سایه چندان احساس نخواهد شد.