معرفی نرم‌افزار:
نرم‌افزار طراحی و تحلیل حرارتی و سیالاتی مبدل‌های حرارتی، ابزاری پیشرفته برای شبیه‌سازی شبکه‌های پیچیده جریان سیال و انتقال حرارت است. این نرم‌افزار بر اساس معادلات ناویر استوکس یک بعدی توسعه یافته و به صورت کاملاً کوپل معادلات پیوستگی و مومنتوم را حل می‌نماید. در این مقاله در نظر است صحت نتایج شبیه سازی یک نمونه رادیاتور خودرو توسط نرم افزار توسعه یافته در مقایسه با روش‌های تجربی، سه بعدی CFD و روش ترکیبی یک بعدی کلاسیک (روش ) با روش CFD ارائه می‌گردد. مقاله مرجع [1] برای صحت سنجی استفاده شده است.
تعریف مسئله:
ابعاد هندسه رادیاتور مورد صحت سنجی بصورت شکل (1) می‌باشد.
شکل 1: ابعاد هندسی رادیاتور
شرایط مرزی:
برای تحلیل عملکرد حرارتی و سیالاتی رادیاتور تحت شرایط غیر یکنواخت، مقادیر شرایط مرزی بصورت جدول زیر ارائه شده است. مقادیر ارائه شده در جدول از کارکرد در شرایط یک خودرو تجاری با سرعت ثابت 60 km/h استخراج شده است.
توزیع سرعت هوای عبوری از رادیاتور ناشی از کارکرد فن نیز بصورت شکل زیر می‌باشد.
شکل 2: توزیع سرعت هوای عبوری از رادیاتور ناشی از کارکرد فن
مایع خنک کننده موتور (Coolant) متشکل از 50% آب و 50% اتیلن گلیکول می‌باشد.
همچنین از هوا برای خنک کاری (Cooling) استفاده می‌شود.
نتایج مقاله مرجع:
خواص حرارتی و هیدرولیکی رادیاتور در شکل (3)، شامل منحنی‌های افت فشار ارائه شده است. با توجه به نمودار، میزان افت فشار در دبی جرمی 0.961 kg/s مایع خنک کننده برابر با 14 kPa می‌باشد.
شکل 3: نمودار افت فشار در دو سمت مایع خنک کننده و هوا
مقادیر دمای مایع خنک کننده در ورودی و خروجی به روش‌های تجربی، سه بعدی CFD و ترکیب یک بعدی و سه بعدی در جدول زیر ارائه شده است.
روش شبیه سازی:
شبیه سازی با استفاده از معادلات ناویر استوکس یک بعدی انجام شده است. معادلات ناویر استوکس بکار رفته شامل: معادله بقاء جرم، مومنتوم، انرژی سیال و انرژی جامد می‌باشد. در نرم‌افزار برای محاسبه ترم اصطکاکی و افت‌فشارها از روابط مخصوص به هر مولفه صنعتی (مانند: لوله، تیوب، خم، فیتینگ و …) استفاده می‌شود. مقدار ضریب انتقال حرارت جابجایی نیز با استفاده از کوریلیشن‌های معتبر محاسبه شده است.
هندسه مورد نظر (شکل 1) در قالب شبکه یک بعدی به صورت شکل (4) در نرم افزار مدلسازی شده است.
شرایط مرزی مسئله با اعمال مقادیر دما، فشار و سرعت (دبی) مایع خنک کننده در ورودی رادیاتور اعمال می‌گردد.
شکل 4: هندسه رادیاتور مدلسازی شده در محیط نرم افزار
نتایج شبیه سازی و مقایسه:
مدت زمان انجام محاسبات در کمتر از یک دقیقه انجام می‌شود. با انجام شبیه سازی مقادیر دما، فشار و سرعت در گره خروجی و همچنین تمامی گره‌های داخلی محاسبه می‌گردد.
مقدار دما و فشار مایع در خروجی و همچنین اختلاف فشار ورودی و خروجی محاسبه شده در جدول زیر ارائه شده است. باتوجه به نتایج مرجع [1] میزان افت فشار برابر با 14kPa می‌باشد و در اینجا نیز مقداری برابر با 15kPa دارد. میزان درصد اختلاف افت فشار 7% می‌باشد.
در جدول زیر یک مقایسه از نتایج دما در ورود و خروج مایع خنک کننده به روش‌های مختلف ارائه شده است.
با توجه به سرعت محاسبات کمتر از یک دقیقه‌ای و درصد اختلاف 4.6% در محاسبه کاهش دما و 7% در محاسبه افت فشار، نرم افزار دارای دقت نتایج مناسب و سرعت همگرایی بالا می‌باشد.