تهویه اتاق دارای بالکن با تابش خورشیدی، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

شرح پروژه (بالکن)

هدف از این مسأله، شبیه سازی عددی انتقال حرارت و تهویه درون اتاق دارای بالکن (balcony) با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) است.

بالکن دارای سقف شیشه‌ای و یک دیوار شیشه‌ای است. در اثر تابش نور خورشید، اتاق و بالکن هر دو گرم‌تر می‌شوند و جابجایی طبیعی (natural convection) نقش مهمی در گردش جریان در داخل این فضاها دارد.

مدل حاضر با استفاده از نرم افزار دیزاین مدلر (Design Modeler) به صورت سه بعدی طراحی شده است. هندسه این مدل شامل یک اتاق و یک بالکن است.

سپس مش بندی مدل با استفاده از نرم افزار انسیس مشینگ (ANSYS Meshing) انجام شده است. مش بندی از نوع با سازمان (Structured) بوده و تعداد 290250 سلول ایجاد شده است.

روش‌های استفاده شده

جابجایی طبیعی (natural convection) نقش مهمی در گردش هوا در داخل فضاهای داخلی دارد. جابجایی طبیعی نوعی جریان یا حرکت مایعی مانند آب یا گازی مانند هوا است که در آن حرکت سیال توسط هیچ منبع خارجی (مانند پمپ، فن، دستگاه مکش و غیره) ایجاد نمی‌شود، بلکه توسط قسمت‌هایی از سیال ایجاد می‌شود که سیال سنگین‌تر از قسمت‌های دیگر است.

این امر معمولاً زمانی اتفاق می‌افتد که یک محیط گرم می‌شود و با گرم‌تر شدن شروع به از دست دادن چگالی خود می‌کند. درنتیجه، محیط گرم‌تر افزایش می‌یابد و محیط سرد جای آن را می‌گیرد. این پدیده به طور مکرر اتفاق می‌افتد و باعث ایجاد یک جریان چرخشی می‌شود.

در این پروژه، جابجایی طبیعی در اثر تابش نور خورشید ایجاد می‌شود، و باعث گرم شدن اتاق و بالکن می‌شود. مدل توربولانسی k-epsilon standard برای حل معادلات جریان آشفته مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مدل تابشی P1 می‌تواند پرتوهای خورشیدی ورودی به دامنه محاسباتی را شبیه سازی کند، و انتقال حرارت تشعشعی را در داخل اتاق محاسبه می‌کند.

همچنین معادله انرژی  (energy equation) برای محاسبه توزیع دما در دامنه کحاسباتی فعال می‌شود. همچنین لازم به ذکر است که قانون گاز ایده‌آل (ideal-gas law) تغییرات چگالی ناشی از تغییرات دما را در نظر می‌گیرد.

همچنین فرض براین است که هوای محیط دارای دمای 310K با ضریب انتقال حرارت 20W/m.K است. علاوه براین، دیوارهای اتاق به صورت مات (opaque) هستند و گرما را از تابش خورشید جذب می‌کنند؛ در حالی که دیوارهای شیشه‌ای به صورت نیمه‌شفاف (semi-transparent) فرض می‌شوند، بدین معنا که اشعه‌های خورشیدی می‌توانند تا حدی از آنها عبور کنند.

نتایج

در پایان فرآیند حل، کانتورهای (contour) دو بعدی و سه بعدی مربوط به سرعت، دما، فشار، و خطوط جریان (streamline) داخل اتاق و بالکن به دست می‌آید. کانتورهای مربوط به فشار به وضوح نشان می‌دهد که چگونه جابجایی طبیعی می‌تواند سطوح فشار دسته بندی شده را در داخل فضاهای بسته ایجاد کند.

همچنین جهت توزیع فشار در اتاق و بالکن مخالف یکدیگر است که می‌تواند به این دلیل باشد که دیواره بالایی بالکن شیشه‌ای است و ممکن است هوا در نزدیکی مرز شیشه دمای بالاتری داشته باشد.

بنابراین، جایگزینی هوای خنک با هوای گرم به دلیل جریان چرخشی جابجایی طبیعی در داخل بالکن با مشکل مواجه می‌شود که باعث می‌شود هوا در این قسمت کم بماند.

همچنین با مشاهده کانتور دما به راحتی می‌توان دریافت که دمای فضای اتاق به وضوح بالاتر از بالکن است؛ زیرا دیوارهای اتاق مات هستند و بیشترین گرما را از خورشید جذب می‌کنند. درمقابل، دیوارهای شیشه‌ای بالکن گرمای کمتری را جذب می‌کنند.

در همین حال، خطوط جریان (streamline) به وضوح نشان می‌دهند که چگونه جریان چرخشی در داخل اتاق و بالکن شکل می‌گیرد و نشان می‌دهد که چگونه جابجایی طبیعی می‌تواند هوا را در این فضاها حرکت بدهد.