شبیه‌سازی مبدل هلیکال
در این جلسه از دوره آموزش کامسول به بررسی شبیه سازی مبدل حرارتی هلیکال یا حلزونی در نرم افزار کامسول می‌پردازیم. مبدل‌های حرارتی هلیکال، دستگاه‌هایی هستند که برای انتقال حرارت بین دو سیال با دمای متفاوت استفاده می‌شوند. در این نوع مبدل‌ها، یک سیال گرم و یک سیال سرد از طریق یک جداره فلزی (معمولا مسی) با یکدیگر تبادل حرارت می‌کنند.
این نوع مبدل حرارتی به دلیل هندسه پیچیده، از جمله چالش‌های شبیه سازی محسوب می‌شود. با این حال، کامسول با ارائه ابزارهای قدرتمند، امکان شبیه سازی دقیق این نوع مبدل را فراهم می‌کند. با توجه به آن که مبدل حرارتی هلیکال از هیچ جهتی دارای تقارن نیست، بر این اساس به صورت سه بعدی شبیه‌سازی می‌شود. مبدل حرارتی هلیکال از مبدل‌هایی است که در آموزش کامسول مهندسی به دلیل هندسه پیچیده فنر مانند، فقدان تقارن، چالش‌های زیادی را برای شبیه‌سازی عددی ایجاد می‌کند.
ایجاد هندسه مبدل حرارتی در کامسول
برای ایجاد هندسه مبدل حرارتی هلیکال در کامسول، باید از بخش سه بعدی نرم‌افزار استفاده کرد. مبدل‌های هلیکال معمولا دارای سه بخش هستند و هیچ تقارنی در هندسه آن‌ها وجود ندارد. یکی از راهکارهای ساده‌سازی مسئله، استفاده از فرض دیواره‌های نازک است. کامسول فرض ساده کننده‌ای را ارائه می‌کند که در آن، می‌توان توضیح دما را در دیواره‌های نازک، خطی در نظر گرفت. بدین ترتیب، پیچیدگی مسئله کاهش می‌یابد و زمان حل آن کوتاه‌تر می‌شود.
برای ایجاد هندسه مبدل حرارتی هلیکال در کامسول، باید از بخش سه‌بعدی نرم‌افزار استفاده کنیم. واحدهای اندازه‌گیری را از متر به سانتیمتر تغییر می‌دهیم تا نیاز به تغییر واحد در مراحل بعدی نباشد. سپس دو Helix ایجاد می‌کنیم که یکی توپر و دیگری توخالی است. با استفاده از تکنیک تفاضل، هلیکس توپر را از هلیکس توخالی کم می‌کنیم تا شکل نهایی مبدل حرارتی ایجاد شود. همچنین، برای جلوگیری از بروز مشکلات احتمالی در معادلات نرم‌افزار، از Union برای اتصال دو ناحیه استفاده می‌کنیم.
تعریف مبدل هلیکال در کامسول
تعریف صحیح مبدل حرارتی در کامسول بسیار مهم است، چرا که هندسه پیچیده مبدل‌های هلیکال باعث می‌شود که تعیین ورودی‌ها و خروجی‌های سیالات گرم و سرد آن به عنوان شرایط مرزی در کامسول دشوار باشد. در این جلسه، روشی ارائه می‌شود که با استفاده از آن، ورودی‌ها و خروجی‌های مبدل یک بار انتخاب شده و در ادامه از آن‌ها در Selection Box به عنوان شرایط مرزی مختلف استفاده می‌شود و نیازی به تنظیم دستی در هر مرحله نخواهد بود.
در مبدل حرارتی هلیکال، دو ورودی برای سیالات گرم و سرد وجود دارد. ورودی‌ها و خروجی‌ها را می‌توان با استفاده از ابزار Explicit Selection در بخش Geometry نرم‌افزار کامسول تعریف کرد. با استفاده از این قابلیت، می‌توان ورودی‌ها و خروجی‌ها را نام‌گذاری کرد و همیشه از آن‌ها استفاده نمود. همچنین، می‌توان دیگر باندها مثل دیواره مبدل حرارتی را نیز با استفاده از این قابلیت انتخاب کرد. در بخش تعریف هندسه آموزش کامسول چالش‌های شبیه‌سازی مبدل هلیکال به طور کامل شرح داده شده است.
تعریف مواد
مرحله بعدی تعریف مواد مورد استفاده در مبدل حرارتی است. هدایت حرارتی، چگالی و ظرفیت حرارتی ویژه لوله‌ها و سیالات را مشخص می‌کنیم. این اطلاعات برای COMSOL برای شبیه سازی دقیق انتقال حرارت بین سیالات ضروری است. در این بخش آب و مس را به شبیه‌سازی اضافه کرده و آب را به دو دامنه‌ای که سیال گرم و سرد در آن جریان دارد اختصاص می‌دهیم. همچنین مس به دیواره نازک بین دو لوله اختصاص داده می‌شود.
تنظیم ماژول‌ها
در بخش فیزیکی Laminar Flow و Heat Transfer، باید شرایط مرزی برای ورودی‌ها و خروجی‌های سیالات تعریف شوند. همچنین، باید مشخصات مبدل حرارتی، مانند سرعت و دما، در این بخش تعیین شوند. در فیزیک لامینار فلو، سرعت و دما را برای ورودی‌ها و خروجی‌های گرم و سرد مشخص می‌کنیم. همچنین، شرایط مرزی دیواره را به عنوان دیواره بدون اصطکاک (no-slip) در نظر می‌گیریم. در بخش انتقال حرارت، ورودی‌ها و خروجی‌های گرم و سرد را انتخاب می‌کنیم و دمای آن‌ها را نیز مشخص می‌کنیم.
یکی از نکات مهم، تعریف دیواره داخلی مبدل است که می‌توان از قابلیت تعریف Thin Wall برای ساده‌سازی آن استفاده کرد. بدین ترتیب، دیواره داخلی مبدل به صورت یک لایه نازک در نظر گرفته می‌شود و در نتیجه پیچیدگی مسئله کاهش می‌یابد.
حل مبدل حرارتی در کامسول
گام آخر، حل شبیه‌سازی است. ما از حل کننده COMSOL برای حل معادلات و به دست آوردن میدان‌ها دما و سرعت در مبدل حرارتی استفاده خواهیم کرد. پس از تعریف شرایط مرزی و ایجاد مش‌بندی مناسب، شبیه‌سازی را اجرا می‌کنیم. نمودارهایی از سرعت، فشار و دما به دست می‌آیند که نشان می‌دهند دما از C°١٥ در ورودی سرد به حدود C°٥٥ در خروجی گرم رسیده است.
جمع‌بندی
آموزش کامسول رایگان این جلسه به شبیه‌سازی یکی از پیچیده‌ترین مسائل در نرم‌افزار کامسول مولتی فیزیک یعنی شبیه‌سازی مبدل حرارتی هلیکال می‌پردازد. در این جلسه نشان داده شد که شبیه سازی مبدل حرارتی هلیکال در کامسول با استفاده از ابزارهای مناسب و تنظیم دقیق پارامترها، امکان‌پذیر است. نتایج این شبیه سازی می‌تواند در طراحی و بهینه‌سازی مبدل‌ها حرارتی مورد استفاده قرار گیرد.
