شبیه سازی انتقال حرارت یا انتقال گرما یا Heat tran

شبیه سازی انتقال حرارت یا انتقال گرما یا Heat transfer در CPU با کامسول

انتقال حرارت یا انتقال گرما یا ترانسفر گرما Heat transfer به تعویض (exchange) یا تبادل انرژی گرمایی بین چندین راژمان‌ (سیستم) فیزیکی گفته‌می‌شود. انتقال گرما بین ماده‌ها یا راژمان‌های گوناگون، به یکی از این سه شکل روی می‌دهد: رسانش، همرفت یا تابش گرمایی. نرم افزار کامسول قابلیت اجرا و انجام شبیه سازی های انتقال حرارت را دارا می باشد که در این پست درون CPU به عنوان نمونه آورده شده است. انتقال گرما با تغییر انرژی درونی ماده همراه است و بر پایه قانون دوم ترمودینامیک همیشه از جسم داغ‌تر به جسم سرد‌تر روی می دهد. تعادل گرمایی زمانی روی می‌دهد که جسم‌های درگیر و پیرامونشان به دمایی یکسان برسند.

    رسانش یا هازش: انتقال انرژی بین جسم‌هایی که در تماس فیزیکی هستند.

    همرفت: انتقال انرژی به دلیل حرکت شاره.

    تابش: انتقال انرژی با تابش پرتوهای الکترومغناطیسی.

    انتقال جرم: انتقال انرژی از یک مکان به مکان دیگر با جابه‌جایی فیزیکی جسم دارای انرژی.

رسانش گرمایی یا هازش گرمایی، انتقال انرژی از راه انتقال انرژی جنبشی مولکول‌ها و اتم‌ها به مولکول‌ها و اتم‌ها همسایه خود است. برای رسانش گرمایی دو جسم باید در تماس فیزیکی با یکدیگر باشند.

همرفت به انتقال انرژی به دلیل جابه‌جایی شاره (مایع یا گاز) گفته‌می‌شود. جریان شاره ممکن است با فرایندهای بیرونی به صورت اجباری ایجاد شود یا گاهی زمان‌ها (در میدان‌های گرانشی) توسط نیروهای رانشی هنگامی که انرژی گرمایی شاره را منبسط می‌کند (به عنوان مثال در یک ستون آتش) ایجاد شوند و در نتیجه باعث انتقال خودبخودی می‌شوند. فرایند دوم گاهی وقت‌ها همرفت طبیعی نامیده می‌شود. همه فرایندهای همرفتی گرما را تا حدودی به وسیله نفوذ منتقل می‌کنند. نوع دیگری از همرفت، همرفت اجباری است. در این مورد سیال با استفاده از پمپ، توربین یا وسایل مکانیکی دیگر برای جریان یافتن تحت اجبار قرار می‌گیرد. این روش انتقال گرما ویژه سیالات است و در جامدات کاربردی ندارد. و بر خلاف روش رسانش، ماده برای انتقال گرما جا به جا می شود. همواره عامل اصلی انتقال گرما به روش همرفتی اختلاف چگالی بین دو نقطه از سیال است و آنچه که باعث اختلاف چگالی بین دو نقطه می‌شود اختلاف دما می باشد؛ در نتیجه جریانی از حرکت سیال بین دو نقطه ایجاد می‌شود که به آن جریان همرفتی می گویند.

 تابش به انتقال انرژی بر اثر تابش پرتو‌های الکترومغناطیسی را می‌گویند. همه‌ی ماده‌ها که دمایی بالاتر از صفر مطلق دارند، پرتوهای الکترومغناطیسی پخش می‌کنند. مهمترین ویژگی این شیوه‌، آن است که نیازی به ماده ندارد برخلاف دیگر سازوکارهای انتقال که همه نیازمند ماده هستند. پرتوهای تابیده شده می‌تواند در یک نقطه کوچک با استفاده از آینه‌های بازتابنده متمرکز شود که درجمع آوری انرژی خورشیدی تولیدی مورد بهره‌برداری قرار گیرد. برای مثال، نور خورشید بازتابیده از آینه‌ها، برج انرژی خورشیدی PS10 را گرم می‌کند و در طول روز می‌تواند آب را تا ۲۸۵ درجه سانتی گراد (۵۴۵ فارنهایت) گرم کند.

 انتقال جرم

 در انتقال جرم، انرژی از جمله انرژی گرمایی با انتقال فیزیکی از جسم گرم به جسم سرد از یک مکان به مکان دیگر حرکت می‌کند. این می‌تواند به سادگی با قرار دادن آب گرم در بطری و گرم کردن بستر آن یا حرکت کوه یخ در تغییرات جریانهای اقیانوسی باشد؛ ویک مثال عملی هیدرولیک گرمایی است.

تغییر حالت

انتقال گرما با محیط در طول تغییر حالت یعنی ذوب، تبخیر، انجماد، میعان، چگالش، تصعید مانند یخ به آب، آب به بخار، بخار به آب ویخ به آب شامل انرژی قابل توجهی هستند و در بسیاری از موارد مانند موتور بخار، یخچال، و غیره مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرند.  برای مثال، معادله میسون (Mason) بیان تحلیلی تقریبی برای رشد قطرات آب بر پایه اثرات انتقال گرما در تبخیر و متراکم شدن است.

تبخیر: انتقال گرما در سیالات در حال جوش پیچیده‌است اما از اهمیت فنی قابل توجهی برخوردار است؛ و با استفاده از منحنی S مانند که وابستگی شار گرما به اختلاف دمای سطح را نشان می‌دهد مشخص می‌شود. در دماهای پایین، جوش اتفاق نمی‌افتد و میزان انتقال گرما با مکانیزم‌های معمول تک حالتی کنترل می‌شود. هنگامی که دمای سطح افزایش می‌یابد، جوش محلی رخ می‌دهد و هستهٔ حباب‌های بخار به سیال خنک‌تر مجاور رشد می‌کنند و فرو می‌پاشند. در سرعت‌های بالای تولید حباب، حباب‌ها شروع به تداخل می‌کنند.

 در دماهای بالا، ماکزیمم مقدار شار انتقال گرما به دست می‌آید (شار دمای بحرانی یا CHF). در دماهای بالا، رژیم هیدرودینامیکی آرام فیلم جوشان به دست می‌آید. شار گرما در طول لایه‌های پایدار بخار کم است اما به آرامی با دما افزایش می‌یابد. ممکن است دیده شود که هر گونه تماس میان مایع و سطح، احتمالاً منجر به ایجاد بسیار سریع هسته‌های لایه‌های تازه بخار می‌شود (هستهٔ خودبخود).

 چگالش: چگالش هنگامی که بخار سرد می‌شود و فاز آن به حالت مایع تغییر می‌کند، اتفاق می‌افتد. چگالش مانند جوش، از اهمیت زیادی در صنعت برخوردار است. در حین تراکم، گرمای نهان تبخیر باید آزاد شود و مقدار گرما همان است که در طی تبخیر در همان فشار سیال جذب می‌شود.

 چگالش انواع مختلفی دارد:

     تراکم همگن در طول تشکیل مه

    چگالش در تماس مستقیم با مایع subcooled

    چگالش در تماس مستقیم با یک دیوار خنک‌کننده مبدل گرمایی: این حالت شایع‌ترین مورد استفاده در صنعت است.

    تراکم Filmwise زمانی است که فیلم مایع در سطح subcooled شکل گرفته است و معمولاً هنگامی رخ می‌دهد که مایع سطح را خیس می‌کند.

    تراکم Dropwise زمانی است که قطرات مایع در سطح subcooled شکل گرفته‌اند و گاهی اوقات زمانی که قطرات مایع سطح را خیس نکرده‌اند، اتفاق می‌افتد. تراکم Dropwise برای تداوم با اطمینان مشکل است و بنابراین تجهیزات صنعتی به طور معمول برای عمل کردن در تراکم filmwise طراحی شده‌اند.

 روش‌های مدل سازی

 پدیده‌های پیچیده انتقال گرما را می‌توان در روش‌های مختلف با کامسول مدل کرد.

     معادله گرما: معادله گرما در کامسول، معادله دیفرانسیل با مشتقات جزئی است که توزیع گرما (یا تغییرات دما) را در منطقه‌ای داده شده در طول زمان شرح می‌دهد. در بعضی مواقع راه حل دقیق معادله در دسترس است و در موارد دیگر، این معادله بایدبا حل عددی وبا استفاده از روش‌های محاسباتی در کامسول حل شود. برای مثال در مدل‌های ساده آب و هوایی، ممکن است سرمایش نیوتون به جای کدهای تابشی برای حفظ دمای اتمسفر استفاده شود.

    تجزیه و تحلیل توده‌ای سیستم‌ها: تجزیه و تحلیل سیستم‌ها با استفاده از مدل ظرفیت توده‌ای در کامسول یک تخمین متداول در رسانش گذرا است که ممکن است هنگامی که رسانش گرمایی داخل شی خیلی بیشتر از رسانش گرمایی در مرزهای جسم است، مورد استفاده قرار گیرد. این روش تقریبی است که یکی از جنبه‌های هدایت گذرای سیستم –در داخل جسم-رابه یک سیستم معادل حالت پایدار کاهش می‌دهد. در این روش فرض بر این است که دما در داخل جسم کاملاً یکسان است؛ اگر چه مقدار آن ممکن است با زمان در حال تغییر باشد. در این روش، نسبت مقاومت در برابر گرمای رسانشی در درون جسم به مقاومت در برابر انتقال گرمای همرفت در مرزهای جسم که به عنوان عدد بیو شناخته می‌شود، محاسبه می‌شود.

 برای عددهای بایو کوچک تخمین دمای یکنواخت مکانی در داخل جسم می‌تواند به کار رود و فرض شده‌است که انتقال گرما در جسم زمان برای توزیع یکنواخت درون خود با توجه به مقاومت کمتر به انجام این کار در مقایسه با مقاومت برای گرمای ورودی به جسم دارد. تجزیه و تحلیل توده‌ای سیستم‌ها اغلب پیچیدگی معادلات را به معادله دیفرانسیل خطی مرتبه اول کاهش می‌دهد که در آن گرمایش و سرمایش با حل تابع نمایی ساده شرح داده می‌شوند و اغلب به عنوان قانون سرمایش نیوتون اشاره دارد.

مسئلهٔ توزیع دما و شارش گرما در بسیاری از شاخه‌های دانش و مهندسی مطرح است. برای نمونه در طراحی دیگ‌های بخار، چگالنده‌ها، تبخیر کننده‌ها، مبدل‌های حرارتی و رادیاتورها تحلیل انتقال گرما برای محاسبهٔ اندازهٔ آنها لازم است که تماما با استفاده از نرم افزار کامسول قابل شبیه سازی هستند. نرم افزار کامسول قابلیت شبیه سازی، انجام و اجرای شبیه سازی انتقال حرارت را دارد. به عنوان نمونه نتایج جاصل از انجام شبیه سازی کامسول  انتقال حرارت درون CPU در شکل زیر آورده شده است.

(برای دریافت فایل کامسول شبیه سازی فوق  و یا اجرای شبیه سازی های مشابه با کامسول به آدرس [e-mail]ایمیل فرمایید)

گروه مهندسی مشاور HKH مفتخر است خدمات خود در زمینه همکاری، طراحی، مشاوره تخصصی و انجام پروژه های مختلف را با استفاده از نرم افزار کامسول به افراد، شرکتها و موسسه های تحقیقاتی ارائه نماید. افراد و شرکت های علاقه مند می توانند جزئیات پروژه را جهت انجام شبیه سازی کامسول به آدرس ذیل ایمیل نمایند.

گروه مهندسی مشاورHKH

ایمیل: [e-mail]

تلفن:

09101687870

http://comsolsimulation.blogfa.com/ 

 

Heat transfer is a discipline of thermal engineering that concerns the generation, use, conversion, and exchange of thermal energy (heat) between physical systems. Heat transfer is classified into various mechanisms, such as thermal conduction, thermal convection, thermal radiation, and transfer of energy by phase changes. Engineers also consider the transfer of mass of differing chemical species, either cold or hot, to achieve heat transfer. While these mechanisms have distinct characteristics, they often occur simultaneously in the same system.

 Heat conduction, also called diffusion, is the direct microscopic exchange of kinetic energy of particles through the boundary between two systems. When an object is at a different temperature from another body or its surroundings, heat flows so that the body and the surroundings reach the same temperature, at which point they are in thermal equilibrium. Such spontaneous heat transfer always occurs from a region of high temperature to another region of lower temperature, as described in the second law of thermodynamics.

 Heat convection occurs when bulk flow of a fluid (gas or liquid) carries heat along with the flow of matter in the fluid. The flow of fluid may be forced by external processes, or sometimes (in gravitational fields) by buoyancy forces caused when thermal energy expands the fluid (for example in a fire plume), thus influencing its own transfer. The latter process is often called "natural convection". All convective processes also move heat partly by diffusion, as well. Another form of convection is forced convection. In this case the fluid is forced to flow by use of a pump, fan or other mechanical means.

Thermal radiation occurs through a vacuum or any transparent medium (solid or fluid). It is the transfer of energy by means of photons in electromagnetic waves governed by the same laws.