همرفت رایگان در یک لیوان آب
معرفی
این مثال همرفت آزاد را در یک لیوان آب درمان می کند. همرفت آزاد پدیده ای است که اغلب در تجهیزات شیمیایی نادیده گرفته می شود. با این حال، در شرایط خاص می تواند از اهمیت زیادی برخوردار باشد – به عنوان مثال، در فرآیندهای تخمیر، ریخته گری و راکتورهای بیوشیمیایی. همرفت طبیعی میتواند عامل اصلی انتقال در راکتورهای کوچک باشد.
تعریف مدل
این مثال همرفت آزاد را در یک لیوان آب سرد در دمای اتاق در نظر می گیرد. شما جریان را با استفاده از رابط جریان غیر گرمایی مدل می کنید. هدف از این آموزش محاسبه الگوی جریان و توزیع دما است.
در ابتدا، لیوان و آب هر دو در دمای 5 درجه سانتیگراد هستند، گویی مستقیماً از یخچال گرفته شده اند. هوا و میز اطراف در دمای 25 درجه سانتی گراد ثابت نگه داشته می شود. دیوار شیشه ای دارای ضخامت محدود با هدایت حرارتی خاص است. با توجه به تقارن دورانی، میتوانید کل سیستم را به صورت دو بعدی و با استفاده از هندسه متقارن محوری مدلسازی کنید. هندسه و دامنه مدل در شکل 1 در زیر نشان داده شده است.

شکل 1: هندسه و حوزه محاسباتی.
توازن جرم و مومنتوم جهانی برای جریان غیر گرمایی با تعادل انرژی همراه است، جایی که انتقال گرما از طریق جابجایی و رسانش اتفاق میافتد.
برای تعادل انرژی در دیواره شیشه فقط رسانایی در نظر گرفته می شود. خواص حرارتی برای دیوار شیشه ای از شیشه سیلیس فرض می شود.
شرایط مرزی
با فرض تماس کامل بین سطح میز و پایین شیشه، می توانید شرایط مرزی را روی دمای 25 درجه سانتیگراد تنظیم کنید. در سطوح بالا و بیرونی، از شرایط مرزی شار حرارتی همرفتی استفاده کنید که توسط اختلاف دمای بین شیشه هدایت می شود. و فضای اطراف:

در اینجا q شار حرارتی به سمت داخل و h ضریب فیلم انتقال حرارت است. ماژول انتقال حرارت دارای کتابخانه ای از توابع ضریب انتقال حرارت ( مرجع 1 ) است که می توانید به راحتی به آنها دسترسی داشته باشید و در این برنامه استفاده کنید.
برای میدان جریان، هیچ شرایط لغزشی بر روی مرزهای داخلی (بین شیشه و آب) اعمال نمیشود، در حالی که شرایط تقارن محوری در محور چرخش و شرایط لغزش در سطح باز اعمال میشود. در این حالت، شبیه سازی به مدت 2 دقیقه اجرا می شود.
نتایج و بحث
شار گرما از طریق سطح بالایی، دیواره جانبی و پایین شیشه در شکل 2 نشان داده شده است . به دلیل مقادیر کم ضرایب فیلم انتقال حرارت، بیشتر گرما از طریق مرز پایین به آب هدایت می شود.

شکل 2: شار حرارتی از طریق سطح بالایی (خط نقطهای)، دیواره جانبی (خط چین) و پایین شیشه (خط توپر).
هنگامی که سیال در پایین شیشه گرم می شود، چگالی موضعی کاهش می یابد و در نتیجه جریانی در داخل شیشه ایجاد می شود. شکل 3 توزیع دما را برای 30، 60 و 81 ثانیه نشان می دهد.

شکل 3: توزیع دما در زمان های 30، 60 و 81 ثانیه.
جریان شناور محور باعث ایجاد مناطق گردش مجدد در شیشه می شود. این نواحی چرخش به وضوح در نمودار جریان میدان سرعت دیده می شوند. شکل 4 خطوط جریان را برای زمان های خروجی مشابه شکل قبلی نشان می دهد.

شکل 4: میدان سرعت در زمان های 30، 60 و 81 ثانیه با خطوط جریانی تجسم شده است.
نمودار زیر توزیع دما در شیشه را پس از 2 دقیقه نشان می دهد.

شکل 5: توزیع دما در زمان 2 دقیقه.
ارجاع
1. A. Bejan، انتقال حرارت ، جان وایلی و پسران، 1993.
مسیر کتابخانه برنامه: ماژول_انتقال_گرما/آموزش_همرفت_اجباری_و_طبیعی/شیشه_آب_سرد
دستورالعمل مدلسازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی
Model Wizard کلیک کنید .

مدل جادوگر
1 | در پنجره Model Wizard ، روی ![]() |
2 | در درخت Select Physics ، Fluid Flow > Nonisothermal Flow > Laminar Flow را انتخاب کنید . |
3 | روی افزودن کلیک کنید . |
4 | ![]() |
5 | در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Time Dependent را انتخاب کنید . |
6 | ![]() |
تعاریف جهانی
پارامترهای 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Global Definitions روی Parameters 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای پارامترها ، بخش پارامترها را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام | اصطلاح | ارزش | شرح |
r_top | 4.5[cm] | 0.045 متر | شعاع در بالا |
r_bottom | 3.5[cm] | 0.035 متر | شعاع در پایین |
HG | 10[cm] | 0.1 متر | ارتفاع لیوان |
h_wall | 0.13[cm] | 0.0013 متر | ضخامت دیوار شیشه ای |
h_bottom | 0.3[cm] | 0.003 متر | ضخامت قسمت پایین |
طول | sqrt((r_top-r_bottom)^2+Hg^2) | 0.1005 متر | طول دیواره بیرونی |
put0 | 1000 [kg/m^3] | 1000 کیلوگرم بر متر مکعب | مرجع تراکم |
هندسه 1
چند ضلعی 1 (pol1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی ![]() |
2 | در پنجره تنظیمات چند ضلعی ، بخش مختصات را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
R (M) | Z (M) |
0 | h_bottom |
r_bottom-h_wall | h_bottom |
r_top-h_wall | HG |
0 | HG |
4 | در نوار ابزار Geometry ، روی ![]() |
چند ضلعی 2 (pol2)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی ![]() |
2 | در پنجره تنظیمات چند ضلعی ، بخش مختصات را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
R (M) | Z (M) |
0 | HG |
0 | 0 |
r_bottom | 0 |
r_top | HG |
4 | در نوار ابزار Geometry ، روی ![]() |
مواد را اضافه کنید
1 | در نوار ابزار Home ، روی ![]() |
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>Water, liquid را انتخاب کنید . |
6 | روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
7 | در نوار ابزار Home ، روی ![]() |
مواد
شیشه سیلیکا (mat1)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Materials روی شیشه Silica (mat1) کلیک کنید . |
2 | فقط دامنه 1 را انتخاب کنید. |
آب، مایع (mat2)
1 | در پنجره Model Builder ، روی Water, liquid (mat2) کلیک کنید . |
2 | فقط دامنه 2 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای مواد ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
4 | ![]() |
5 | در کادر محاوره ای Create Selection ، در قسمت متن Selection name، Water را تایپ کنید . |
6 | روی OK کلیک کنید . |
جریان آرام (SPF)
برای اطمینان از حفظ جرم، جریان را غیرقابل تراکم تنظیم کنید و سپس فشار را در حفره بسته قفل کنید تا مدلی با موقعیت مناسب بدست آورید. از تقریب Boussinesq برای محاسبه نیروی شناوری استفاده کنید.
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Laminar Flow (spf) کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for Laminar Flow ، بخش Domain Selection را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، آب را انتخاب کنید . |
4 | بخش Physical Model را پیدا کنید . از لیست تراکم پذیری ، جریان غیر فشرده را انتخاب کنید . |
5 | چک باکس Include gravity را انتخاب کنید . |
6 | بردار r ref را به عنوان مشخص کنید |
r_top-h_wall | r |
HG | z |
7 | برای گسترش بخش Discretization کلیک کنید . از لیست گسسته سازی سیالات ، P2+P1 را انتخاب کنید . |
این تنظیم عناصر درجه دوم را برای میدان سرعت می دهد.
محدودیت نقطه فشار 1
1 | در نوار ابزار فیزیک ، روی ![]() |
2 | فقط نقطه 6 را انتخاب کنید. |
دیوار 2
1 | در نوار ابزار فیزیک ، روی ![]() |
2 | فقط مرز 5 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات دیوار ، قسمت Boundary Condition را پیدا کنید . |
4 | از لیست شرایط دیوار ، لغزش را انتخاب کنید . |
چند فیزیک
جریان غیر گرمایی 1 (nitf1)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Multiphysics روی جریان غیر گرمایی 1 (nitf1) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جریان غیر گرمایی ، قسمت Material Properties را پیدا کنید . |
3 | تیک Boussinesq approximation را انتخاب کنید . |
دمای محیط را برای استفاده در شرایط مرزی رابط انتقال حرارت تنظیم کنید.
تعاریف
ویژگی های محیط 1 (apr1)
1 | در نوار ابزار Physics ، روی ![]() |
2 | در پنجره تنظیمات برای ویژگی های محیط ، بخش شرایط محیط را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن T amb ، 298.15[K] را تایپ کنید . |
انتقال حرارت در سیالات (HT)
مقادیر اولیه 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Heat Transfer in Fluids (ht) روی مقادیر اولیه 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مقادیر اولیه ، قسمت مقادیر اولیه را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن T ، 278.15[K] را تایپ کنید . |
جامد 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی ![]() |
2 | فقط دامنه 1 را انتخاب کنید. |
دما 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی ![]() |
2 | فقط مرز 2 را انتخاب کنید. |
از دمای محیطی که قبلاً در بخش تنظیمات محیط رابط تعریف شده است استفاده کنید.
3 | در پنجره تنظیمات دما ، قسمت دما را بیابید . |
4 | از لیست T 0 ، دمای محیط (ampr1) را انتخاب کنید . |
شار حرارتی 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی ![]() |
2 | فقط مرز 7 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات Heat Flux ، بخش Heat Flux را پیدا کنید . |
4 | از لیست نوع شار ، شار حرارتی همرفتی را انتخاب کنید . |
5 | از لیست ضریب انتقال حرارت ، همرفت طبیعی خارجی را انتخاب کنید . |
6 | از لیست، دیوار شیبدار را انتخاب کنید . |
7 | در قسمت متن L ، Vlength را تایپ کنید . |
8 | در قسمت متن ϕ ، acos (Hg/Vlength) را تایپ کنید . |
برای دما و فشار خارجی، از مقادیر تعریف شده در بخش تنظیمات محیط رابط استفاده کنید.
9 | از لیست T ext ، دمای محیط (ampr1) را انتخاب کنید . |
10 | از لیست p A ، فشار مطلق محیط (ampr1) را انتخاب کنید . |
شار حرارتی 2
1 | در نوار ابزار Physics ، روی ![]() |
2 | فقط مرزهای 5 و 8 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات Heat Flux ، بخش Heat Flux را پیدا کنید . |
4 | از لیست نوع شار ، شار حرارتی همرفتی را انتخاب کنید . |
هنگامی که عدد ریلی برای جریان آرام کمتر از 104 باشد ، رسانش به مراتب بیشتر از همرفت غالب می شود . بنابراین، ضریب انتقال حرارت را روی 2 W/(m2 ·K) تنظیم کنید که مربوط به مقاومت حرارتی در لایه کوچکی از هوا در 298.15 K است که بالای شیشه شناور است.
5 | در قسمت متن h ، 2 را تایپ کنید . |
برای دمای خارجی، از مقداری که قبلاً در بخش تنظیمات محیط رابط تعریف شده است استفاده کنید.
6 | از لیست T ext ، دمای محیط (ampr1) را انتخاب کنید . |
مش 1
برای بدست آوردن لایه های مرزی در رابط آب-شیشه از یک مش کنترل شده با فیزیک استفاده کنید.
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Mesh 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مش ، قسمت Physics-Controlled Mesh را پیدا کنید . |
3 | از لیست اندازه عنصر ، Fine را انتخاب کنید . |
4 | ![]() ![]() |
مطالعه 1
مرحله 1: وابسته به زمان
از آنجایی که همرفت آزاد یک پدیده نسبتاً کند است، مشکل را برای مدت 2 دقیقه اجرا کنید.
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 | در قسمت متن زمان خروجی ، محدوده (0,3[s],2[min]) را تایپ کنید . |
اثرات جریان ثانویه زیادی وجود دارد، بنابراین باید تحمل را محکم کنید.
4 | از لیست Tolerance ، User controlled را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متنی Relative tolerance ، 1e-3 را تایپ کنید . |
راه حل 1 (sol1)
1 | در نوار ابزار مطالعه ، روی ![]() |
2 | در پنجره Model Builder ، گره Solution 1 (sol1) را گسترش دهید ، سپس روی Time-Dependent Solver 1 کلیک کنید . |
3 | در پنجره تنظیمات برای حل وابسته به زمان ، برای گسترش بخش تحمل مطلق کلیک کنید . |
4 | از لیست روش تحمل ، دستی را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متنی Absolute tolerance ، 2.5e-5 را تایپ کنید . |
6 | در نوار ابزار مطالعه ، ![]() |
نتایج
سرعت (spf)
اولین نمودار پیش فرض، بزرگی سرعت را در یک نمودار 2 بعدی نشان می دهد که مربوط به یک برش از محلول متقارن محور است.
فشار (SPF)
نمودار پیش فرض دوم، میدان فشار را در نمودار کانتور دو بعدی نشان می دهد.
خطوط همدما (ht)
این نمودار پیش فرض خطوط همدما میدان دما را در شیشه نشان می دهد. برای بازتولید سه عکس فوری در شکل 3 ، به صورت زیر عمل کنید.
دما، 2 بعدی
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی ![]() |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح دوبعدی ، Temperature، 2D را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
سطح 1
1 | در نوار ابزار دما، دوبعدی ، روی ![]() |
2 | در پنجره تنظیمات برای Surface ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expression کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Heat Transfer in Fluids>Temperature>T – Temperature – K را انتخاب کنید . |
3 | قسمت Expression را پیدا کنید . از لیست واحد ، degC را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . ![]() |
5 | در کادر محاوره ای Color Table ، Thermal>HeatCameraLight را در درخت انتخاب کنید. |
6 | روی OK کلیک کنید . |
7 | در نوار ابزار دما، دوبعدی ، روی ![]() |
8 | ![]() |
نمودار در پنجره Graphics باید مانند شکل 5 باشد .
دما، 2 بعدی
1 | در پنجره Model Builder ، روی Temperature، 2D کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 2D Plot Group ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از لیست زمان (ها) ، 30 را انتخاب کنید . |
4 | در نوار ابزار دما، دوبعدی ، روی ![]() |
نتیجه را با نمودار سمت چپ در شکل 3 مقایسه کنید .
دستور قبلی را برای بارهای 60 و 81 تکرار کنید تا نمودارهای میانی و راست ایجاد شوند.
برای تهیه مجموعه ای از عکس های فوری از خطوط جریان سرعت نشان داده شده در شکل 4 ، مراحل زیر را ادامه دهید.
سرعت جریان، دوبعدی
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی ![]() |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح دو بعدی ، Velocity Streamlines، 2D را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
ساده 1
1 | در نوار ابزار Velocity Streamlines، 2D ، روی ![]() |
2 | در پنجره تنظیمات برای Streamline ، بخش Streamline Positioning را پیدا کنید . |
3 | از لیست موقعیت یابی ، نقطه شروع کنترل شده را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . زیربخش Point style را پیدا کنید . از لیست رنگ ، آبی را انتخاب کنید . |
سرعت جریان، دوبعدی
1 | در پنجره Model Builder ، روی Velocity Streamlines، 2D کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 2D Plot Group ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از لیست زمان (ها) ، 30 را انتخاب کنید . |
4 | در نوار ابزار Velocity Streamlines، 2D ، روی ![]() |
نتیجه را با نمودار سمت چپ در شکل 4 مقایسه کنید .
دستور قبلی را برای زمان های 60 و 81 تکرار کنید تا نمودارهای میانی و راست را ایجاد کنید.
در نهایت، شارها را از طریق بالا، پایین و دیواره جانبی شیشه محاسبه و رسم کنید.
یکپارچه سازی خط 1
1 | در نوار ابزار نتایج ، روی ![]() |
2 | فقط مرز 2 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای ادغام خط ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expressions کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Heat Transfer in Fluids>Boundary Fluxes>ht.ntflux – Normal Total Heat Flax – W/m² را انتخاب کنید . |
4 | توضیح متغیر را با Flux (روی پایین) جایگزین کنید . |
5 | ![]() |
یکپارچه سازی خط 2
1 | در نوار ابزار نتایج ، روی ![]() |
2 | فقط مرز 7 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای ادغام خط ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expressions کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Heat Transfer in Fluids>Boundary Fluxes>ht.ntflux – Normal Total Heat Flax – W/m² را انتخاب کنید . |
4 | توضیح متغیر را با Flux (دیوار جانبی) جایگزین کنید . |
5 | ![]() |
یکپارچه سازی خط 3
1 | در نوار ابزار نتایج ، روی ![]() |
2 | فقط مرزهای 5 و 8 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای ادغام خط ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expressions کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Heat Transfer in Fluids>Boundary Fluxes>ht.ntflux – Normal Total Heat Flax – W/m² را انتخاب کنید . |
4 | توضیح متغیر را با Flux (روی بالا) جایگزین کنید . |
5 | ![]() |
شار گرما در مقابل زمان
1 | در نوار ابزار نتایج ، روی ![]() |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی ، شار حرارتی در مقابل زمان را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
3 | برای گسترش بخش عنوان کلیک کنید . از لیست نوع عنوان ، دستی را انتخاب کنید . |
4 | در قسمت متن عنوان ، Heat Flux vs. Time را تایپ کنید . |
5 | قسمت Plot Settings را پیدا کنید . |
6 | چک باکس x-axis label را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، Time را تایپ کنید . |
7 | کادر بررسی برچسب محور y را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، Heat Flux را تایپ کنید . |
8 | قسمت Grid را پیدا کنید . کادر فاصله دستی را انتخاب کنید . |
9 | در قسمت متنی با فاصله x ، 20 را تایپ کنید . |
10 | در قسمت متنی با فاصله y ، 20 را تایپ کنید . |
نمودار جدول 1
1 | روی Heat Flux vs. Time کلیک راست کرده و Table Graph را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای نمودار جدول ، برای گسترش بخش Legends کلیک کنید . |
3 | تیک Show legends را انتخاب کنید . |
4 | در نوار ابزار Heat Flux vs. Time ، روی ![]() |
شار گرما در مقابل زمان
در پنجره Model Builder ، روی Heat Flux vs. Time کلیک کنید .
نمودار جدول 2
1 | در نوار ابزار Heat Flux vs. Time ، روی ![]() |
2 | در پنجره تنظیمات برای نمودار جدول ، بخش داده را پیدا کنید . |
3 | از لیست جدول ، جدول 2 را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . زیربخش Line style را پیدا کنید . از لیست Line ، Dashed را انتخاب کنید . |
5 | قسمت Legends را پیدا کنید . تیک Show legends را انتخاب کنید . |
6 | در نوار ابزار Heat Flux vs. Time ، روی ![]() |
شار گرما در مقابل زمان
1 | در پنجره Model Builder ، روی Heat Flux vs. Time کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی ، قسمت Legend را پیدا کنید . |
3 | از لیست موقعیت ، سمت راست میانی را انتخاب کنید . |
نمودار جدول 3
1 | در نوار ابزار Heat Flux vs. Time ، روی ![]() |
2 | در پنجره تنظیمات برای نمودار جدول ، بخش داده را پیدا کنید . |
3 | از لیست جدول ، جدول 3 را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . زیربخش Line style را پیدا کنید . از لیست خط ، نقطه نقطه را انتخاب کنید . |
5 | قسمت Legends را پیدا کنید . تیک Show legends را انتخاب کنید . |
6 | در نوار ابزار Heat Flux vs. Time ، روی ![]() |
نمودار حاصل را با نمودار 2 مقایسه کنید .