 |
بلوک شیشه ای سیلیکا با یک لایه مسی پوشیده شده است
معرفی
این برنامه نحوه استفاده از ویژگی لایه نازک رابط Heat Transfer را نشان می دهد.
تعریف مدل
این مثال یک مدل دوبعدی وابسته به زمان از یک بلوک شیشه‌ای سیلیسی را می‌سازد که با یک لایه نازک مس پوشیده شده است. شکل 1 هندسه مدل و شرایط مرزی را نشان می دهد.
شکل 1: هندسه مدل برای بلوک سیلیس با لایه مس.
این مدل دمای اولیه را روی 300 کلوین تنظیم می کند. جدول زیر خواص حرارتی شیشه سیلیس و مس را نشان می دهد:
تعداد | شیشه سیلیکا | فلز مس | شرح |
r | 2203 کیلوگرم بر متر مکعب | 8960 کیلوگرم بر متر مکعب | تراکم |
ج ص | 703 J/(kg·K) | 385 J/(kg·K) | ظرفیت گرمایی در فشار ثابت |
ک | 1.38 W/(m·K) | 400 W/(m·K) | رسانایی گرمایی |
هدایت حرارتی مس بسیار بالاتر از رسانایی حرارتی برای شیشه سیلیکا است. با توجه به این واقعیت و نازک بودن لایه مسی، می توان لایه را با ویژگی Thin Layer مدل سازی کرد. با استفاده از این ویژگی، نیازی نیست که لایه نازک را با یک مش بسیار ریز حل کنید، که به زمان محاسبات بسیار طولانی‌تری نیاز دارد.
در نسخه دوم، نتایج را با استفاده از ویژگی لایه نازک با تنظیماتی که در آن لایه مس مشبک شده است مقایسه می‌کنید. این مدل نتایج یکسانی را ایجاد می کند، اما به مش متراکم تر و زمان محاسبات طولانی تری نیاز دارد.
نتایج
شکل 2 میدان دما را بعد از 5 ثانیه، 10 ثانیه و 60 ثانیه نشان می دهد. نتایج نشان می دهد که افزایش دما در لایه مس سریعتر از شیشه سیلیس است. پس از 60 ثانیه میدان دما تقریباً به حالت ثابت رسیده است و میدان دما به صورت خطی بین دو مرز عمودی تغییر می کند.
شکل 2: میدان دما بعد از 5، 10 و 60 ثانیه.
مسیر کتابخانه برنامه: ماژول_انتقال_گرما/آموزش_ساختار_نازک/لایه_مسی
دستورالعمل مدلسازی – لایه نازک
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی 
Model Wizard کلیک کنید .
Model Wizard کلیک کنید .مدل جادوگر
1 | در پنجره Model Wizard روی  2D کلیک کنید . |
2 | در درخت Select Physics ، Heat Transfer>Heat Transfer in Solids (ht) را انتخاب کنید . |
3 | روی افزودن کلیک کنید . |
4 |  روی مطالعه کلیک کنید . |
5 | در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Time Dependent را انتخاب کنید . |
6 |  روی Done کلیک کنید . |
هندسه 1
مستطیل 1 (r1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Rectangle کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Rectangle ، بخش Size and Shape را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Width ، 0.02 را تایپ کنید . |
4 | در قسمت متن ارتفاع ، 0.01 را تایپ کنید . |
5 |  روی Build Selected کلیک کنید . |
مواد را اضافه کنید
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material باز شود . |
2 | به پنجره Add Material بروید . |
3 | در درخت، Built-in>Silica glass را انتخاب کنید . |
4 | روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
5 | در درخت، Built-in>Copper را انتخاب کنید . |
6 | روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
7 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material بسته شود . |
مواد
مس (mat2)
1 | در پنجره تنظیمات برای مواد ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
2 | از لیست سطح نهاد هندسی ، Boundary را انتخاب کنید . |
3 | فقط مرز 3 را انتخاب کنید. |
انتقال حرارت در جامدات (HT)
دما 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی انتقال حرارت در جامدات (ht) کلیک راست کرده و Temperature را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 1 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات دما ، قسمت دما را بیابید . |
4 | در قسمت متنی T 0 ، 300[K] را تایپ کنید . |
دما 2
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Temperature را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 4 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات دما ، قسمت دما را بیابید . |
4 | در قسمت متنی T 0 ، 600[K] را تایپ کنید . |
لایه نازک 1
1 | در نوار ابزار فیزیک ، روی  Boundaries کلیک کنید و لایه نازک را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 3 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات لایه نازک ، بخش مدل لایه را پیدا کنید . |
4 | از لیست نوع لایه ، تقریب حرارتی نازک را انتخاب کنید . |
مقادیر اولیه 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی مقادیر اولیه 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مقادیر اولیه ، قسمت مقادیر اولیه را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن T ، 300[K] را تایپ کنید . |
مواد
مس (mat2)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Materials روی Copper (mat2) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Material ، قسمت Material Contents را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
ویژگی | متغیر | ارزش | واحد | گروه اموال |
ضخامت | lth | 1e-4 | متر | پوسته |
مش 1
در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Mesh 1 کلیک راست کرده و Build All را انتخاب کنید .
مطالعه 1
مرحله 1: وابسته به زمان
1 | در پنجره Model Builder ، در بخش مطالعه 1 ، روی Step 1: Time Dependent کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مربوط به زمان وابسته ، قسمت تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
3 |  روی Range کلیک کنید . |
4 | در کادر محاوره‌ای Range ، 5 را در قسمت متنی Step تایپ کنید . |
5 | در قسمت Stop text عدد 60 را تایپ کنید . |
6 | روی Replace کلیک کنید . |
حل کننده پیش فرض به اندازه کافی دقیق است تا نتایج خوبی از نظر دما بدست آورد. تشدید تلرانس نتایج را از نظر تعادل انرژی بهبود می بخشد، که می توانید آن را با مقدار ht.energyBalance بررسی کنید .
7 | در پنجره تنظیمات مربوط به زمان وابسته ، قسمت تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
8 | از لیست Tolerance ، User controlled را انتخاب کنید . |
9 | در قسمت متنی Relative tolerance ، 1e-5 را تایپ کنید . |
10 | در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
سطح 2
1 | در پنجره Model Builder ، گره Results>Temperature (ht) را گسترش دهید ، سپس روی Surface 2 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Surface ، برای گسترش بخش عنوان کلیک کنید . |
3 | از لیست نوع عنوان ، هیچکدام را انتخاب کنید . |
دما (ht)
1 |  روی دکمه Zoom Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
اولین نمودار پیش فرض دما را در پایان بازه زمانی شبیه سازی شده نشان می دهد، یعنی در t = 60 ثانیه. با آخرین نمودار سری در شکل 2 مقایسه کنید .
نمودارهای مربوطه را برای t = 5 s و t = 10 s بازتولید کنید:
2 | در پنجره Model Builder ، روی دما (ht) کلیک کنید . |
3 | در پنجره Settings for 2D Plot Group ، بخش Data را پیدا کنید . |
4 | از لیست زمان (ها) ، 5 را انتخاب کنید . |
5 | در نوار ابزار دما (ht) ، روی  Plot کلیک کنید . |
6 | از لیست زمان (ها) ، 10 را انتخاب کنید . |
7 | در نوار ابزار دما (ht) ، روی  Plot کلیک کنید . |
لایه مس مشبک
اکنون نسخه مدل دوم را راه اندازی کنید.
افزودن کامپوننت
در پنجره Model Builder ، روی گره ریشه راست کلیک کرده و Add Component>2D را انتخاب کنید .
فیزیک را اضافه کنید
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Physics کلیک کنید تا پنجره Add Physics باز شود . |
2 | به پنجره Add Physics بروید . |
3 | در درخت، Heat Transfer>Heat Transfer in Solids (ht) را انتخاب کنید . |
4 | رابط های فیزیک را در زیربخش مطالعه بیابید . در جدول، کادر حل را برای مطالعه 1 پاک کنید . |
5 | روی Add to Component 2 در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
6 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Physics کلیک کنید تا پنجره Add Physics بسته شود . |
اضافه کردن مطالعه
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Study کلیک کنید تا پنجره Add Study باز شود . |
2 | به پنجره Add Study بروید . |
3 | زیربخش مطالعات را پیدا کنید . در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Time Dependent را انتخاب کنید . |
4 | رابط های فیزیک را در زیربخش مطالعه بیابید . در جدول، کادر حل را برای انتقال حرارت در جامدات (ht) پاک کنید . |
5 | روی Add Study در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
6 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Study کلیک کنید تا پنجره Add Study بسته شود . |
هندسه 2
این هندسه یک دامنه برای لایه اضافه می کند.
مستطیل 1 (r1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Rectangle کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Rectangle ، بخش Size and Shape را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Width ، 0.02 را تایپ کنید . |
4 | در قسمت متن ارتفاع ، 0.01 را تایپ کنید . |
5 |  روی Build Selected کلیک کنید . |
مستطیل 2 (r2)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Rectangle کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Rectangle ، بخش Size and Shape را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Width ، 0.02 را تایپ کنید . |
4 | در قسمت متن ارتفاع ، 1e-4 را تایپ کنید . |
5 | قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت متن y ، 0.01 را تایپ کنید . |
6 |  روی Build All Objects کلیک کنید . |
مواد را اضافه کنید
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material باز شود . |
2 | به پنجره Add Material بروید . |
3 | در درخت، Built-in>Silica glass را انتخاب کنید . |
4 | روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
5 | در درخت، Built-in>Copper را انتخاب کنید . |
6 | روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
7 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material بسته شود . |
مواد
شیشه سیلیسی (mat3)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 2 (comp2)>Materials، روی شیشه Silica (mat3) کلیک کنید . |
2 | فقط دامنه 1 را انتخاب کنید. |
مس (mat4)
1 | در پنجره Model Builder ، روی Copper (mat4) کلیک کنید . |
2 | فقط دامنه 2 را انتخاب کنید. |
انتقال حرارت در جامدات 2 (HT2)
در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 2 (comp2) روی انتقال حرارت در Solids 2 (ht2) کلیک کنید .
دما 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Temperature را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرزهای 1 و 3 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات دما ، قسمت دما را بیابید . |
4 | در قسمت متنی T 0 ، 300[K] را تایپ کنید . |
دما 2
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Temperature را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرزهای 6 و 7 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات دما ، قسمت دما را بیابید . |
4 | در قسمت متنی T 0 ، 600[K] را تایپ کنید . |
مقادیر اولیه 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی مقادیر اولیه 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مقادیر اولیه ، قسمت مقادیر اولیه را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن T 2 ، 300[K] را تایپ کنید . |
مش 2
در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 2 (comp2) روی Mesh 2 کلیک راست کرده و Build All را انتخاب کنید .
مطالعه 2
مرحله 1: وابسته به زمان
1 | در پنجره Model Builder ، در زیر مطالعه 2 ، روی Step 1: Time Dependent کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مربوط به زمان وابسته ، قسمت تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
3 |  روی Range کلیک کنید . |
4 | در کادر محاوره‌ای Range ، 5 را در قسمت متنی Step تایپ کنید . |
5 | در قسمت Stop text عدد 60 را تایپ کنید . |
6 | روی Replace کلیک کنید . |
تحمل را برای بهبود نتایج از نظر تعادل انرژی تشدید کنید.
7 | در پنجره تنظیمات مربوط به زمان وابسته ، قسمت تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
8 | از لیست Tolerance ، User controlled را انتخاب کنید . |
9 | در قسمت متنی Relative tolerance ، 1e-5 را تایپ کنید . |
10 | در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
به راه حل برای t = 5 ثانیه نگاه کنید.
دما (Ht2)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Results روی دما (ht2) کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 2D Plot Group ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از لیست زمان (ها) ، 5 را انتخاب کنید . |
4 | در نوار ابزار دما (ht2) ، روی  Plot کلیک کنید . |
5 |  روی دکمه Zoom Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
