انتقال حرارت
علم انتقال گرما یا انتقال حرارت به تحلیل آهنگ انتقال گرما در سیستم می‌پردازد. انتقال انرژی از طریق شارش گرما را نمی‌توان مستقیما اندازه‌گیری کرد ولی این انتقال چون به یک کمیت قابل اندازه‌گیری به نام دما ارتباط دارد، دارای مفهوم فیزیکی است. در نرم افزار انسیس فلوئنت می‌توانیم با فعال کردن معادله‌ی انرژی و حل آن، اثرات انتقال حرارت را وارد محاسبات کنیم.
- گرما
گرما نوعی انرژی است که به علت اختلاف دما بین دو سیستم، از یکی به دیگری منتقل میشود. (گرما همواره در حال عبور از مرزهای سیستم است.)
- دما
کمیتی است بیانگر مقدار گرمای یک جسم. دما معیاری است برای تعیین میزان گرمی یا سردی یک جسم.
روش‌های انتقال گرما
- رسانش
- همرَفت
- تابش
احتراق یا سوختن
احتراق یا سوختن (به لاتین: Combustion یا burning) نتیجه‌ی یک فرآیند شیمیایی گرمازا میان یک ماده‌ی سوختنی و عامل اکسیدکننده است که با تولید گرما و تغییر شیمیایی مواد اولیه همراه میشود. آزاد کردن گرما میتواند با تولید نور به صورت شعله یا درخشش باشد.
به طور کلی شبیه سازی پدیده احتراق یکی از پیچیده ترین مسائل موجود در تحلیل عددی می باشد. تاکنون مدل های عددی مختلفی برای شبیه سازی انواع احتراق (غیر آمیخته و پیش آمیخته) مایع و یا گاز ارائه شده است. نرم افزار فلوئنت با دارابودن مدلهای احتراقی گسترده و متنوع، به یک ابزار مهم و محبوب جهت تحلیل انواع مسائل احتراقی تبدیل شده است.
برای آشنایی بیشتر با انواع مکانیزم‌های انتقال حرارت و کاربردهای آن در نرم افزار فلوئنت، دورههای آموزشی ” از مبتدی تا حرفه‌ای در انسیس فلوئنت” و “شبیه سازی انتقال حرارت و احتراق در نرم افزار فلوئنت” در بخش فروشگاه آموزشی را پیشنهاد می‌کنیم.
جهت تعامل بیشتر شما همراهان عزیز با قابلیت‌های نرم افزار انسیس فلوئنت در مدلسازی انتقال حرارت و احتراق، یک مقاله‌ی علمی مرتبط با احتراق هیدروژن در فلوئنت را مرور می‌کنیم.
تحقق وعده‌هایی که با احتراق هیدروژن ممکن میشود
با استفاده از هیدروژن میتوان کربن را در بسیاری از بخشهای اقتصادی از بین ببرد. هیدروژن میتواند به طور مستقیم در پیل‌های سوختی برای انرژی‌های عاری از کربن و یا توربین‌های گازی که تراکم انرژی بالای آنها، بالاتر بودن دمای خود اشتعالی و توانایی سوختن ضعیف آنها مطلوب ما هستند، استفاده شود. سوختن ضعیف به این معناست که در محفظه احتراق مقدار هوای موجود بیشتر از مقدار سوخت میباشد. توافق نامه آب و هوای پاریس و تعهد جامعه هواپیمایی به این نکته اشاره میکند که تا سال ۲۰۵۰ میزان انتشار آلایندهها باید به طور قابل توجهی کاهش یابد که همین امر باعث تحقیق و توسعه بیشتر احتراق هیدروژن خواهد شد.
سوزاندن هیدروژن در موتورها با وجود پتانسیل بالای آن به عنوان یک سوخت “طلایی” یا حامل انرژی، چالشهای مختلفی از جمله پدیده فلش بک (Flashback)، بی ثباتی آکوستیکی یا صوتی، احتراق خودکار و پایدار سازی شعله در داخل مشعل را ایجاد میکند. مهندسان میتوانند با شبیه سازی این چالشها را برطرف کنند.
شبیه سازی باعث صرفه جویی در وقت و هزینه می شود
آزمایش‌های تجربی اطلاعات ارزشمندی را برای کمک به مقابله با چالشهای مطرح شده فراهم میکند، اما این آزمایش‌ها گران و زمان بر هستند و استفاده صد درصدی از هیدروژن میتواند به معنای فدا شدن اجزای حیاتی و ابزار آزمایشگاهی ما باشد. شبیه سازی‌های عددی میتواند خصوصیات عمیق‌تری از پدیده های پیچیدهای که داخل محفظه‌های احتراق توربین گاز اتفاق می‌افتد را فراهم کند. به عنوان مثال: ویدئوی زیر میدان گرمایی داخل محفظه احتراق یک موتور هوایی است که با استفاده از تحلیل دینامیک سیال محاسباتی (CFD) با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت پیش بینی شده است.
پیش بینی دقیق چنین پدیده‌های پیچیدهای و همچنین میزان انتشار آلاینده ها در موتورهای توربین گازی، نیازمند مدل‌هایی با دقت بالا و مقیاس‌های معتبر برای تعیین کردن مدلهای توربولانسی، مدلهای احتراقی و طرح های عددی (به عنوان مثال روش QUICK، Upwind و…) میباشد. در مثال بالا، از مدل آشفتگی (SBES)stress-blended eddy simulation و قابلیت مش موزاییکی انسیس برای حل ساختارهای جریان گذرا استفاده شده است. از مدل فاز گسسته در قالب اویلری-لاگرانژی برای مدلسازی اسپری سوخت و همچنین جدایش ثانویه استفاده شده است.
احتراق با استفاده از Flamelet Generated Manifold (FGM) مدل شد، که شیمی حرارتی را توسط کسر مخلوط و پیشرفت واکنش نشان میدهد. این استراتژی مدل سازی (SBES-FGM) برای پیش بینی دقیق رفتار شعله و انتشار گازها برای موتورهای جت و همچنین محفظه‌های احتراق توربین‌های گازی زمینی نیز تأیید شده است.
شبیه سازی احتراق هیدروژن
تکنیک‌های مدل سازی که در بالا ذکر شد برای سوخت‌های مخلوط هیدروژن یا هیدروژن خالص نیز کارایی دارند. حتی این مدل‌ها را میتوان با توجه به نیاز خود اصلاح کرد و مواردی را به آنها اضافه و یا از آنها کم کرد. چنین اصلاح‌هایی میتواند شامل تعاریفی مثل متغیرهای پیشرفت واکنش و در برخی موارد برای دیفرانسیل پخش (ضریب پخش جرم و حرارت متفاوت برای گونه های مختلف) است. کاربرد موفقیت آمیز چنین مدلسازی برای احتراق هیدروژن، در شکل زیر برای مدل کابرا (Cabra) ارائه شده است که که نحوه پایداری و ماندگاری شعله در محفظه احتراق توربین‌های گازی را بررسی میکند. سوخت و اکسید کننده درون محفظه احتراق به صورت پیش مخلوط (Premix) هستند.
جت سوخت هیدروژن توسط محصولات حاصل از احتراق ۲۲۰۰ شعله هیدروژن / هوا احاطه شده است (شکل بالا سمت چپ). شبیه سازی با استفاده از مدل توربولانسی (LES) و حلگر فشار مبنا در فلوئنت انجام شده است و مقیاس‌های زیر شبکه‌ای با فرمول dynamic Smagorinky Lilly مدلسازی شدند. احتراق با استفاده از مدل FGM و متغیر پیشرفت (Progress Variable)، واریانس کسر مخلوط (Z) و ترم‌های چشمه‌ی متغیر پیشرفت به صورت نرخ محدود مدلسازی میشوند. ویدئوی زیر ساختار شعله هیدروژن را از نظر توزیع دما و توزیع کسر مخلوط در یک بازه زمانی مشخص نشان میدهد.
میدان حرارتی شعله هیدروژن که با استفاده از روش (LES) کسر مخلوط شعله هیدروژن که با استفاده از روش (LES)
ویدئوی بالا نشان میدهد که شبکه بندی با استفاده از قابلیت مش موزاییکی توانسته است وضوح مناسبی را برای مشاهده شکلگیری آشفتگی در لایه برشی (Shear layer) که در شکل قبل‌تر نشان داده شده است، فراهم کند. نمودار شعاعی متغیرهای مختلف و کانتور میدان حرارتی، که در شکل‌های زیر نشان داده شده است، نتایج حاصل از حل عددی توسط فلوئنت را با اندازه گیری‌های تجربی مقایسه میکند.
ویدئوی بالا نشان میدهد که شبکه بندی با استفاده از قابلیت مش موزاییکی توانسته است وضوح مناسبی را برای مشاهده شکلگیری آشفتگی در لایه برشی (Shear layer) فراهم کند. نمودار شعاعی متغیرهای مختلف و کانتور میدان حرارتی، که در شکل‌های زیر نشان داده شده است، نتایج حاصل از حل عددی توسط فلوئنت را با اندازه گیری‌های تجربی مقایسه میکند.
واضح است که شبیه سازی LES-FGM توزیع کسر مخلوط، دما و گونه‌ها را با دقت بسیار عالی و نتایجی نزدیک به داده‌های تجربی پیشبینی کرده است. شبیهسازی‌ها ضخامت جبهه شعله را نیز با دقت محاسبه کرده است. پیش بینی شعله در لبه پیشروی یا جبهه‌ی شعله برای پیش بینی کامل شعله بسیار هائز اهمیت است؛ زیرا بر اختلاط سوخت و هوای پایین دست تأثیر میگذارد. استفاده از روش شعله نفوذی درک بهتری از ماندگاری شعله (Flame anchoring) در اختیار ما قرار میدهد. همچنین با استفاده از این مدل جوابه‌ای حاصل شده از فلوئنت به نتایج حاصل شده از آزمایش‌های تجربی نزدیکتر خواهد شد.
شبیه سازی از هیدروژن برای کربن زدایی پشتیبانی میکند
انتظار میرود موتورهای توربین گازی که از هیدروژن به عنوان سوخت خود استفاده میکنند، باعث شود که کربن در بخشهای انرژی و هواپیمایی از بین برود. پیچیده‌ترین چالشهای فنی در استفاده از هیدروژن در توربین‌های گازی را میتوان با شبیه سازی و با دقت بسیار بالا رفع کرد. ثابت شده است که روش‌هایی که برای شبیه سازی احتراق در موتورهای سنتی متعارف هستند، قادرند تا پیچیدگی‌های ذاتی احتراق هیدروژن را نیز با دقت پیش بینی کنند. استفاده از این روش‌های شبیه سازی برای احتراق هیدروژن، میتواند به بخشهای انرژی و هواپیمایی کمک کند تا محصولات پایدارتر و کم کربن‌تری را با صرفه جویی در هزینه و زمان به بازار عرضه کنند.
برای آموزش مفاهیم احتراق و شبیه سازی آن در نرم افزار فلوئنت، دورههای آموزشی ” از مبتدی تا حرفه‌ای در انسیس فلوئنت” و ” شبیه سازی انتقال حرارت و احتراق ” در بخش فروشگاه آموزشی را پیشنهاد می‌کنیم.
برای آموزش و یادگیری فرآیند تولید شبکه‌ی مناسب در انسیس برای هندسه‌های پیچیده و محفظه‌های احتراق، دوره‌ی آموزشی “هر آنچه در مورد شبکه بندی باید بدانید” پیشنهاد ما به شماست.
