شبیه‌سازی همرفت طبیعی در کامسول
در این جلسه، به بررسی شبیه‌سازی حرکت آزاد هوا داخل یک باکس بسته و تحلیل همرفت طبیعی (Natural Convection) در آن می‌پردازیم. کنوکشن به معنای حرکت سریال‌ها به سمت بالا و پایین به دلیل تغییر دما است. در این شبیه‌سازی، باکس بسته‌ای را در نظر می‌گیریم که دو دیواره با دمای متفاوت دارد. هوای کنار دیواره گرم به دلیل کاهش دانسیته به سمت بالا حرکت می‌کند، در حالی که هوای کنار دیواره سرد به دلیل افزایش دانسیته به سمت پایین حرکت می‌کند. این حرکت هوا باعث ایجاد چرخش هوا داخل باکس می‌شود.
مدل سازی همرفت طبیعی
برای مدل‌سازی این سیستم، نیاز به دو ماژول در کامسول داریم.
- ماژول انتقال حرارت
- ماژول لمینار فلو
ماژول انتقال حرارت برای محاسبه دما در هر نقطه به داده‌های سیال نیاز دارد که باید از ماژول لمینار فلو تأمین شود. همچنین، ماژول لمینار فلو برای محاسبه حرکت سیال به دانسیته هوا نیاز دارد که باید از ماژول انتقال حرارت تأمین شود. این ارتباط بین ماژول‌ها به عنوان کوپلینگ معادلات دیفرانسیل شناخته می‌شود و معمولاً حل مسائل کوپلینگ پیچیده و زمان‌بر است. تصویر شماتیک این ارتباط بین ماژول‌ها در شکل زیر نمایش داده شده است.
شبیه‌سازی Natural Convetion
برای شبیه‌سازی این باکس، از محیط دو بعدی استفاده می‌کنیم و از ماژول‌های Laminar Flow و Heat Transfer بهره می‌گیریم. همچنین، از حل Time Dependent استفاده خواهیم کرد تا بتوانیم حرکت هوا را از لحظه شروع تا رسیدن به حالت پایدار مشاهده کنیم. در این شبیه‌سازی، یک باکس 20 در 20 سانتیمتر ایجاد می‌کنیم و هوا را به عنوان ماده اضافه می‌کنیم. سپس، ماژول‌های مورد نیاز را تکمیل می‌کنیم و به بحث کوپلینگ می‌پردازیم.
شرایط مرزی و کوپلینگ
در جلسات قبلی آموزش کامسول، برای لمینار فلو دو شرایط مرزی در نظر گرفته می‌شد: یک ورودی و یک خروجی. اما در این شبیه‌سازی، ورودی و خروجی هوا نداریم، بنابراین باید شرایط مرزی را تغییر دهیم. یکی از شرایط مرزی، فشار نقطه صفر است که می‌تواند هر نقطه‌ای از سیستم باشد. همچنین، شرایط مرزی دیگری که در نظر می‌گیریم، نیروی بویانسی یا نیروی شناور است که به هر نقطه از سیال وارد می‌شود. این نیرو به دلیل گرانش همیشه به سمت پایین است. برای تعریف این نیرو در کامسول، از بخش Volume Force استفاده می‌کنیم و مقدار آن را بر اساس برابر دانسیته گاز (به دست آمده از فرمول دانسیته گاز ایده‌آل) ضرب در ثابت گرانش محاسبه می‌کنیم.
در ماژول انتقال حرارت، دمای یکی از دیواره‌های باکس را C°٢٥ و دیواره روبروی آن را برابر C°٣٥ قرار می‌دهیم. به دلیل کاهش دانسیته هوا در مجاورت دیواره‌های گرم، هوا به سمت بالا حرکت می‌کند و در نتیجه یک چرخش هوا داخل باکس ایجاد می‌شود.
حل مسئله و نمایش نتایج
پس از تنظیم شرایط مرزی و کوپلینگ معادلات، می‌توانیم مسئله را حل کنیم. برای حل Time Dependent باید یک بازه زمانی مشخص کنیم که در اینجا از صفر تا ده ثانیه در نظر گرفته می‌شود. پس از حل مسئله، می‌توانیم نتایج را به صورت انیمیشن مشاهده کنیم. همچنین، می‌توانیم سرعت هوا را در حین حل مسئله نمایش دهیم.
روش‌های جایگزین برای تعریف نیروی بویانسی
در این جلسه، نیروی بویانسی را بر اساس فرمول دانسیته گاز ایده‌آل تعریف کردیم. اما روش‌های جایگزین دیگری نیز وجود دارد. یکی از روش‌ها استفاده از پارامترهای داخلی کامسول است. در بخش Fluid Properies، دانسیته سیال توسط کامسول محاسبه می‌شود و می‌توانیم از این مقدار در محاسبه نیروی بویانسی استفاده کنیم. همچنین، می‌توانیم مقدار نیروی بویانسی را به عنوان یک پارامتر تعریف کنیم و در هر جایی که نیاز داشتیم، از آن استفاده کنیم.
ایجاد پارامتر در کامسول
یکی از نکات مهم در شبیه‌سازی کامسول، استفاده از پارامترهای داخلی کامسول برای حل مسئله بود. برای مثال، می‌توانیم از دانسیته محاسبه شده توسط لمینار فلو در معادله نیروی بویانسی استفاده کنیم. همچنین، می‌توانیم پارامترهای سفارشی ایجاد کنیم و آنها را در هر جای مسئله استفاده کنیم. این امکانات، کار با مسائل پیچیده‌تر را آسان‌تر می‌کند و به کاربران کمک می‌کند تا به نتایج دقیق‌تری دست یابند.
جمع‌بندی
در این جلسه، با مباحث کوپلینگ معادلات، کنوکشن، ماژولاسیون و کوپلینگ در کامسول آشنا شدیم. همچنین، یاد گرفتیم که چگونه می‌توانیم به صورت دستی فرمول‌هایی را به کامسول اضافه کنیم و از پارامترهای داخلی کامسول برای حل مسائل استفاده کنیم. این مهارت‌ها در جلسات آینده نیز کاربرد خواهند داشت.
