پدیده جوشش و تشکیل حباب، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

شرح پروژه (پدیده جوشش)

هدف از مسأله جاضر، شبیه سازی عددی پدیده جوشش و تشکیل حباب با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) است. در این شبیه سازی، روش‌های مختلف گسسته با یکدیگر مقایسه شده است.

پدیده جوشش (boiling) به معنای تبخیر سریع یک مایع وقتی اتفاق می‌افتد که مایع تا نقطه جوش آن گرم شود. دمایی که در آن فشار بخار مایع با فشار وارد شده به مایع توسط محیط اطراف برابر است.

جوشش را می‌توان به دو نوع طبقه‌بندی کرد: جوش هسته‌ای (nucleate boiling)، که در آن حباب‌های کوچک بخار در مکان‌های مشخص ایجاد می‌شود؛ و جوشش شار حرارتی بحرانی (critical heat flux boiling)، که در آن سطح جوشش بالاتر از یک دمای بحرانی خاص گرم می‌شود و لایه‌ای از بخار روی سطح تشکیل می‌شود.

جوشش انتقالی (transition boiling) یک شکل میانی ناپایدار از جوشش است که دارای اجزای هر دو شکل است. نقطه جوشش آب 100 درجه سانتی‌گراد یا 212 درجه فارنهایت است؛ با این حال، در ارتفاعات به دلیل کاهش فشار هوا کمتر است.

هندسه مدل حاضر با استفاده از نرم افزار دیزاین مدلر (Design Modeler) طراحی شده است. دامنه محاسباتی شامل یک مکعب 15×15 سانتی‌متر با سطح گرمایش 2×2 سانتی‌متر است.

برای شبکه بندی از نرم افزار انسیس مشینگ (Ansys Meshing) استفاده شده است. ومش بندی از نوع با سازمان (structured) بوده و تعداد 570000 سلول ایجاد شده است.

روش‌های استفاده شده

برای این شبیه سازی، از مدل چندفازی حجم سیال (volume of fluid (VOF)) برای مدلسازی پدیده جوشش استفاده شده است.

در این شبیه‌سازی، تفاوت بین مدل‌های HRIC و Compressive و Geo-Reconstruct و تأثیر آنها بر نتایج خروجی با تغییر روش گسسته‌سازی کسر حجمی (volume fraction) مورد بحث قرار گرفت. دامنه محاسباتی یک مکعب 15×15 سانتی متری با سطح گرم شده 2×2 سانتی متر است. تغییر در روش گسسته سازی کسر حجمی تغییر قابل توجهی در دمای سطحی و ضریب انتقال حرارت نشان نداد. فقط مدل Geo-Reconstruct به صورت بصری یک شبیه‌سازی واقعی‌تر را با هزینه محاسباتی بالاتر مدل‌سازی می‌کند.

نتایج

جدول زیر روشن می‌کند که میانگین دمای سطحی در ورودی مسأله و ضریب انتقال حرارت در این سه مدل گسسته تغییر چندانی نمی‌کند. در شبیه سازی با هزینه محاسباتی بالا، پیشنهاد می‌شود که روش‌های گسسته سازی compressive و modified HRIC هزینه محاسباتی کمتری داشته باشد. با این حال، برای شبیه سازی نزدیک به واقعیت بهتر است از مدل Geo-reconstruct استفاده شود که هزینه محاسباتی بالاتری دارد.

برای افزایش دقت شبیه سازی، المان‌های شبکه باید در نزدیکی سطح داغ ریزتر باشند. فاصله سلول اول در مطالعات جوشش ضروری است، اما این امر در افزایش هزینه‌های محاسباتی در شبیه سازی‌های سه بعدی بسیار موثر است.