چكيده

این خودآموز حل جریان آشفته سه‌بعدی و انتقال حرارت در سیستم گرمایش/سرمایش و تهویه مطبوع (HVAC: Heating, Ventilation, and Air Conditioning) یک اتومبیل را با استفاده از فلوئنت در محیط ورک‌بنچ نشان می‌دهد. ورک‌بنچ از یک سری پارامتر و نقاط طراحی استفاده می‌کند تا شما بتوانید بهینه‌سازی‌ها و شبیه‌سازی‌های حالات جریانی مختلف را انجام دهید. شما می‌توانید هم پارامتر ورودی (Input Parameter) و هم پارامتر خروجی (Output Parameter) در فلوئنت تعریف و از آن‌ها در فایل پروژه ورک‌بنچ استفاده کنید. شما همچنین می‌توانید پارامترهایی در سایر نرم‌افزارها مثل دیزاین‌مادلر و CFD-Post تعریف کنید. بعد از اینکه شما پارامترهای مورد نیاز را تعریف کردید، سلول Parameters به سیستم تحلیل و نوار اتوبوسی Parameter Set به پروژه ورک‌بنچ اضافه می‌شوند. این خودآموز طراحی شده است تا قابلیت تحلیل پارامتریک موجود در ورک‌بنچ را به شما معرفی کند.

این خودآموز با ایجاد یک سیستم تحلیل جریان فلوئنت شروع می‌شود که در آن هندسه و مش از قبل تولید شده‌اند. شما با اضافه کردن یک سری قید به پارامترهای ورودی، پارامترهای هندسی مربوط به دیزاین‌مادلر را بازتعریف خواهید کرد. سپس با استفاده از فلوئنت حل جریان را انجام خواهید داد. حین انجام تنظیمات حل در فلوئنت، با تعریف پارامتر در فلوئنت نیز آشنا خواهید شد. همچنین شما تعریف پارامتر خروجی در CFD-Post را خواهید آموخت. 

این خودآموز به شما یاد می‌دهد که چگونه:

♦ قیدهایی به پارامترهای ورودی دیزاین‌مادلر اضافه کنید،

♦ یک سیستم تحلیل جریان فلوئنت در ورک‌بنچ ایجاد کنید،

♦ تنظیمات شبیه‌سازی CFD را که شامل موارد زیر می‌شود، در فلوئنت انجام دهید:

◊ تنظیمات خواص مواد و شرایط مرزی را برای یک مسئله انتقال حرارت همرفت اجباری آشفته انجام دهید،

◊ پارامترهای ورودی را در فلوئنت تعریف کنید،

♦ پارامترهای خروجی را در CFD-Post تعریف کنید،

♦ نقاط طراحی اضافی در ورک‌بنچ ایجاد کنید،

♦ با به‌روزرسانی نقاط طراحی، به‌راحتی چندین شبیه‌سازی CFD انجام دهید،

نتایج مربوط به هر یک از نقاط طراحی را در CFD-Post و ورک‌بنچ تحلیل کنید.    

واژه‌های کلیدی

سیستم گرمایش/سرمایش و تهویه مطبوع اتومبیل، ورک‌بنچ (Workbench)، فلوئنت، دیزاین‌مادلر (DesignModeler)، CFD-Post، تعریف قید، تعریف پارامتر، تحلیل پارامتریک

پیش‌نیازها

در این خودآموز فرض می‌شود که شما از قبل با محیط کاری ورک‌بنچ و روند کاری آن (دیزاین‌مادلر، انسیس مشینگ، فلوئنت و CFD-Post) آشنایی دارید. همچنین فرض می‌شود که شما خودآموز شماره ۱ با نام «راهنمای استفاده از فلوئنت در محیط ورک‌بنچ با حل جریان سیال و انتقال حرارت در یک زانویی مخلوط‌کننده» را کامل کرده‌اید و با محیط گرافیکی فلوئنت آشنا هستید. بعضی مراحل مربوط به تنظیمات حل به‌صورت صریح نشان داده نخواهند شد.

شرح مسئله

در گذشته ارزیابی سیستم تهویه اتومبیل با ساخت یک نمونه آزمایشگاهی و بررسی تجربی آن در آزمایشگاه انجام می‌شده است. با معرفی طراحی به کمک کامپیوتر (Computer Aided Design (CAD))، مهندسی به کمک کامپیوتر (Computer Aided Engineering (CAE)) و ساخت به کمک کامپیوتر (Computer Aided Manufacturing (CAM))، فرآیند طراحی سیستم‌های تهویه مدرن ارتقا یافته است. مشخصات سیستم تهویه شامل مواردی چون حداقل نیازمندی‌های عملکردی، دماها، مناطق کنترل، نرخ‌های جریانی و مواردی از این دست می‌شود. ارزیابی عملکرد با استفاده از CFD شامل مواردی چون تخمین سرعت جریان، مقادیر فشار و توزیع دما می‌شود. استفاده از CFD امکان تحلیل جریان عبوری از یک هندسه پیچیده با شرایط مرزی مختلف را فراهم می‌آورد.

در فرآیند طراحی، طراح ممکن است تغییراتی در هندسه یا شرایط مرزی همچون سرعت ورودی و دبی جرمی ایجاد و اثرات آن‌ها را در الگوی جریان مشاهده کند. این خودآموز فرآیند طراحی سیستم گرمایش/سرمایش و تهویه مطبوع (HVAC) یک اتومبیل را که شامل اواپراتور (Evaporator) برای سرمایش و مبدل حرارتی برای گرمایش می‌شود، نشان می‌دهد. سیستم متقارن است، بنابراین به‌منظور کاهش هزینه محاسباتی، هندسه با استفاده از یک صفحه تقارن نصف شده است.

شكل زیر سیستم HVAC اتومبیل را به‌صورت شماتیک نشان می‌دهد. همان‌طور که در شكل ‏بعدی نشان داده شده است، این سیستم سه دریچه جهت کنترل جریان دارد که جریان‌های زیر را کنترل می‌کنند:

♦ جریان گذرنده از سیم‌پیچ‌های مبدل حرارتی

♦ جریان به سمت خروجی کف

♦ جریان به سمت خروجی جلو یا به سمت شیشه جلو اتومبیل

سیستم HVAC اتومبیل

موقعیت دریچه‌های سیستم HVAC

هوا با دمای ۳۱۰ کلوین و سرعت ۰٫۵ متر بر ثانیه از طریق ورودی هوا داخل HVAC می‌شود و از اواپراتور می‌گذرد. سپس بسته به موقعیت دریچه کنترل جریان گذرنده از مبدل حرارتی، جریان یا در تماس با مبدل حرارتی قرار می‌گیرد و یا از بالای آن عبور می‌کند. بسته به اینکه سرمایش نیاز باشد یا گرمایش، مبدل حرارتی یا اواپراتور کار خواهد کرد. وضعیت دو دریچه دیگر، جریان به سمت پنل جلویی، شیشه جلو یا کف را کنترل خواهد کرد.

مسیر جریان برای انجام سرمایش

حرکت دریچه‌ها مقید هستند. دریچه کنترل جریان گذرنده از مبدل حرارتی بین °۲۵ تا °۹۰، دریچه کنترل جریان کف بین °۲۰ تا °۶۰ و دریچه کنترل جریان به سمت شیشه جلو یا پنل جلویی بین °۱۵ تا °۱۷۵ تغییر می‌کند. بار حرارتی اواپراتور در چرخه سرمایش در حدود ۲۰۰ وات و بار حرارتی مبدل حرارتی در حدود ۱۵۰ وات است.

این خودآموز ساده‌ترین راه برای تحلیل اثرات پارامترهای بالا در الگوی جریان و دمای هوای وارده به اتاقک مسافران را نشان می‌دهد. طراح به کمک قابلیت تحلیل پارامتریک ورک‌بنچ می‌تواند عملکرد سیستم HVAC را در نقاط کاری مختلف بررسی کند.