جریان مدل سازی: میکروکانال های مبدل حرارتی

مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای نسبت به حجم خود در مقایسه با طراحی پوسته و لوله معمولی، سطح بزرگ‌تری دارند که یک دستگاه تنظیم دما کارآمد را ایجاد می‌کند. همانطور که از نام استنباط می‌شود، این نوع مبدل‌های حرارتی از لایه‌هایی از کانال‌های تشکیل‌دهنده فلزی موج‌دار در بین آن‌ها تشکیل شده‌اند. برای بهینه سازی عملکرد آنها، باید جریان از طریق کانال ها به خوبی توزیع شود. همانطور که می توانید تصور کنید، جریان بسیار دقیق است و مدل سازی آن اگر محدود نباشد، می تواند از نظر محاسباتی سخت باشد. مهندسان طراح چگونه می توانند این محدودیت ها را دور بزنند؟

شبیه سازی جریان تفصیلی در یک مبدل حرارتی

فرض کنید یک صفحه مبدل حرارتی با منیفولدهای ورودی و خروجی 2×1×85 میلی متر داریم . میکروکانال ها دارای مقطع 1 میلی متری هستند. ما می‌خواهیم جریان دقیق در میکروکانال‌ها را مدل‌سازی کنیم تا کارایی آنها را در کمترین زمان شبیه‌سازی و با استفاده از کمترین حافظه ممکن بررسی کنیم. خواص سیال روی آب تنظیم شده است.

هندسه صفحه مبدل حرارتی
یک مدل صفحه مبدل حرارتی متشکل از چهار میکروکانال و منیفولدهای ورودی و خروجی. با استفاده از یک منحنی پارامتری کسینوس، میکروکانال ها به عنوان لبه در هندسه سه بعدی ترسیم می شوند.

با توجه به مشکل موجود، به نظر می رسد که این یک چالش کاملاً چالش برانگیز است زیرا الزامات مش برای توصیف دقیق سه بعدی جریان در میکروکانال ها منجر به مدلی با درجه آزادی بالا می شود . یکی از راه‌هایی که می‌توانیم با این موضوع مقابله کنیم، ایجاد یک مدل جریان لوله‌ای با جفت کردن معادلات در رابط جریان لوله با معادلات در رابط جریان لایه لایه است . فیزیک جریان لوله به ما این امکان را می دهد که با استفاده از عبارات داخلی برای ضریب اصطکاک دارسی، فشار و سرعت در امتداد میکروکانال ها را به صورت 1 بعدی حل کنیم. فیزیک جریان آرام از معادلات ناویر-استوکس استفاده خواهد کردبه صورت سه بعدی برای حل فشار و سرعت در منیفولدها. با استفاده از این روش، بدون از دست دادن دقت، هم در حافظه و هم در زمان صرفه جویی می کنیم.

جفت جریان 1 بعدی و 3 بعدی

جریان یک بعدی در میکروکانال ها و جریان سه بعدی در منیفولدهای ورودی و خروجی باید در اتصالات خود جفت شوند. جریان ورودی منیفولد روی سرعت متوسط 5 سانتی متر بر ثانیه تنظیم شده است. در مورد خروجی ها، جایی که رو به ورودی های میکروکانال هستند، فشار به اندازه داخل میکروکانال ها تنظیم شده است. متوجه خواهید شد که فشار کانال فقط در نقطه ورودی کانال موجود است، اما ما می‌توانیم با استفاده از یک عملگر نقطه ادغام آن را در سطح جهانی در دسترس قرار دهیم . انجام این کار به ما امکان می دهد مقدار فشار را به سطح خروجی منیفولد نیز اعمال کنیم. به منظور تنظیم سرعت جریان در ورودی کانال روی سرعت متوسط در مرز خروجی منیفولد مربوطه، از یک عملگر مرزی متوسط استفاده خواهیم کرد .

جریان، مبدل حرارتی. جفت شدن جریان 1 بعدی و سه بعدی در مدل مبدل حرارتی
جفت کردن فیزیک جریان لوله و جریان آرام از طریق عملگرهای میانگین و ادغام.

افت فشار و سرعت در میکروکانال های مبدل حرارتی

به لطف توانایی جفت کردن جریان سه بعدی و یک بعدی، ما می توانیم فشار و سرعت را در کل صفحه مبدل حرارتی حل کنیم. با رسم میدان فشار (سمت چپ، پایین) می بینیم که افت فشار بیشتر به دلیل ریز کانال ها است. با نمودار بزرگی سرعت (راست، پایین)، همچنین متوجه می‌شویم که مبدل حرارتی در کانال‌های مرکزی که سرعت کمتر از سایر میکروکانال‌ها است، بازدهی کاهش می‌یابد. برای دستیابی به یک جریان خوب توزیع شده در همه کانال ها، ما باید طراحی منیفولد را بهبود بخشیم.


فشار در میکروکانال های صفحه مبدل حرارتی.	قدر سرعت نشان دهنده سرعت کمتر در کانال های مرکزی است.

آیا علاقه مندید این را برای خودتان آزمایش کنید؟ می توانید مدل جریان همرفتی در صفحه مبدل حرارتی و مستندات آن را از گالری مدل دانلود کنید. توجه داشته باشید که برای ساخت مدل به COMSOL Multiphysics و Pipe Flow Module نیاز دارید . اگر یکی از ماژول های اضافی زیر را دارید: باتری ها و سلول های سوختی؛ رسوب الکتریکی؛ مهندسی واکنش شیمیایی; خوردگی؛ CFD؛ میکروسیالات؛ جریان زیرسطحی؛ انتقال حرارت؛ یا ماژول پلاسما؛ همانطور که در دستورالعمل های گام به گام نشان داده شده است، می توانید از شرایط مرزی ورودی لایه ای استفاده کنید. اگر فقط ماژول جریان لوله را دارید، باز هم می توانید با جایگزین کردن شرایط ورودی با یک شرط ساده تر، مشکل را حل کنید.