5. Termikus folyamatok

Termikus elemzésére a gépészet szinte minden ágában szükség van. Tekintsünk egy-két kiragadott példát:

- klímakomfort elemzés épületgépészetben;

- elektromos rendszerek hűtésének tervezése;

- kazánok tervezése.

Termikus modellek alkalmazásához FLUENT-ben az energiaegyenlet megoldását (Model / Energy) be kell kapcsolni.

A gravitációs erő z komponense -9.81 m/s². A megfelelő pontosság érdekében az időlépést akkorára célszerű választani, hogy a folyadék kb. 1 cellányi utat tegyen meg 1 időlépés alatt, (a Courant szám értéke kb. 1), azaz: dt=(dx/v)_min.

Természetes áramlások szimulációjához hőmérséklettől függő, inkompresszibilis sűrűségmodelleket alkalmazunk. Ezt elsősorban a nagyobb lehetséges időlépések miatt fontos betartani.

Az inkompresszibilis ideális gáz modell csak gázokra alkalmazható, azonban viszonylag nagy (pl. +/- 10 K-nél nagyobb) hőmérsékletváltozás esetében pontosabb eredményt ad, mint a Boussinesq modell. Ez utóbbi gázok esetén az inkompresszibilis ideális gáz modell Taylor-sorba fejtésével származtatható, melyből b értéke 1/T –re adódik (T természetesen Kelvinben értendő).

A Boussinesq modell előnye, hogy cseppfolyós közegekre is alkalmazható.

p₀ és r₀ paramétereket az Operating Conditions menüben állíthatjuk be, ezen értékek (mint a későbbiekben látni fogjuk) a nyomásmező értelmezésére is hatással vannak.

Falakon alkalmazhatunk egyszerű elsőfajú vagy másodfajú termikus peremfeltételt a hőmérséklet vagy a hőáram közvetlen előírásával, ez azonban ritkán vezet realisztikus eredményre, mivel a falfelület hőmérséklete és a hőáramsűrűség általában függenek egymástól.

A FLUENT-ben rendelkezésre álló falmodell képes egy lemezfal hőellenállását figyelembe venni, továbbá a hőátadást (Convection) és sugárzást (Radiation) a lemezfal külső felületén. (A belső hőátadási tényező a számítás eredménye, ezért soha nem kell megadni.) Lemezfalakban figyelembe vehetjük az oldalirányú hővezetést is, amellyel – többek között – megakadályozható, hogy egyes pontokban (például egy áramlási torlópontban, ahol a belső hőátadási tényező igen kicsi) túlzottan kiugró fali hőmérsékletek alakuljanak ki.

A konvektív hőáram paraméterezéséhez előírhatjuk a külső áramlás hőmérsékletét és a külső hőátadási tényezőt (Heat Transfer Coefficient). A sugárzásos hőáram esetében a külső felület feketeségi foka (Emissivity) és a külső sugárzási hőmérséklet írható elő. Ez utóbbi a külső áramlási hőmérséklettől eltérő is lehet, ha például a külső falfelület távolabb található forró felületekre „lát rá”. A fal termikus ellenállása, továbbá – tranziens folyamatok esetében – hőkapacitása a falvastagság és a fal anyagának megadásával írható elő. A fal anyagára vonatkozó termikus jellemzőket a Materials menüpontban adhatjuk meg.

A bal felső ábra a sebességmegoszlást mutatja egy hőkezelő kemence metszetében, amelyben a fűtés a bal oldali kamrában található. A hőkezelés célja a kemence alsó részén lassan áthaladó alumínium rúdanyagok átkristályosodási hőmérsékletre történő hevítése. Ilyen feladatok esetében a hőkezelt testet is be kell hálózni és szilárd zónaként modellezni. Egy élelmiszeripari példa ugyanezen a megközelítés alkalmazására a bal alsó ábrán látható húsipari előfőző szekrény, amelynek felső részében fűtő hőcserélő és a levegő forgatására alkalmas ventilátor található.

Gyakran előforduló modellezési nehézség, hogy hosszú a termikus tranziens időtartama, azonban az áramlási folyamat megfelelő felbontásához kis időlépést kell alkalmazni, ami igen hosszú számítási időhöz vezethet.

Konjugált hőátadási problémák is megoldhatók a jobb oldali ábrán látható módon, a barna színnel jelölt térrészt szilárd zónaként kell modellezni. A középső ábrán látható gázturbina tűztér szimulációja során ezt a megközelítést alkalmaztunk: a hőmérséklet szerint színezett íves elem belsejében a tűztérből kilépő forró füstgáz áramlik, amely a színes cső falán keresztül hőt ad át az íves elem külső oldalán, a tűztér tetején található, égők felé áramló légáramnak.

Szimulációs modellek eredményeként nem a hagyományos módon értelmezett hőátadási tényező adódik. Ennek oka, hogy a határrétegen kívüli hőmérséklet fogalma nem értelmezhető általánosan. FLUENT-ben egy globálisan értelmezett referencia hőmérsékletet adhatunk meg a referenciajellemzők menüjében. (Amíg ezt nem állítjuk be, a hőátadási tényező fals értékeket ad.)

A gravitáció figyelembevétele esetében tehát a megoldó a túlnyomás (Gauge Pressure) számításakor felhasznált referencianyomást magasságtól lineárisan függő profilként veszi figyelembe, melynek meredekségét a r₀ referencia sűrűség határozza meg. Ehhez, a külső légköri hidrosztatikát leíró profilhoz képest értendők a nyomás peremfeltételben megadott túlnyomás értékek.

Ha például konstans 0 nyomást írunk elő egy függőleges keresztmetszeten, akkor az valójában a r₀-al számított hidrosztatikai nyomásnak felel meg. A fenti példában ilyen módon vizsgálunk egy a környezetnél hidegebb helyiséget (pl. hűtőházat). A nyomásviszonyoknak megfelelően az ajtó felső részén beáramlás, alsó részén kiáramlás jön létre. Az állandó, 0 Pa túlnyomás előírása több különböző magasságban található nyomás peremfeltételre is alkalmazható: pl. ajtó – ablak, ami a fenti példában az ablakon beáramláshoz, az ajtón pedig kiáramláshoz vezetett volna.. r₀ értéke az Operating Conditions menüben állítható be.

Sugárzási modellekkel a számítási tartomány belsejében kialakuló sugárzásos hőforgalmat vehetjük figyelembe, melyben a folyadék különböző mértékben vehet részt a sugárzás szórásával, elnyelésével és kibocsátásával.

Az optikai mélység a folyadék átláthatatlanságát méri. Tűzterek esetében 1-nél nagyobb értékek jellemzők. Ilyen esetben a sugárzási teljesítmény minden pontban újra szétszóródik, ezért a sugárzásos hőtranszport a diffúziós modellre (transzportegyenlet megoldására) épülő sugárzási modellekkel írható le, amelyek FLUENT-ben viszonylag gyors megoldást tesznek lehetővé.

A Discrete Ordinates (DO) modell pontossága jelentősen függ az irány felbontásának finomságától, ezért az eredmények felbontásra való érzékenységét egy-egy alkalmazási területen célszerű megvizsgálni.

Vigyázat! A sugárzásos hőtranszport elhanyagolása egyes konvektív hűtőrendszerek pl. elektronikai hűtőbordák szimulációja során is jelentős modellhibát eredményezhet.