آموزش انتقال حرارت حالت پایا از دو دیواره توسط آباکوس

اگر از همراهان سایت مرجع آموزش نرم‎افزارهای مکانیک هستید می‌دانید که در مجموعه مثال‌های کاربردی آموزش آباکوس مثال‌های بسیار مفید و کاربردی را از بحث انتقال حرارت آموزش داده‌ایم. تحلیل انتقال حرارت در فرآیند جوشکاری، آموزش تحلیل انتقال حرارت در ورق توسط آباکوس، تحلیل انتقال حرارت در قوری چای و آنالیز انتقال حرارت دوبعدی به همراه شار حرارتی از جمله مثال‌های آموزش آباکوس است که در سایت قرار گرفته و خوشبختانه مورد توجه شما عزیزان واقع شده است. در ادامه مجموعه آموزش‌های آباکوس و بنا به درخواست شما همراهان گرامی تصمیم گرفتیم تا به آموزش انتقال حرارت پایا در آباکوس بپردازیم. با ما در این آموزش آباکوس همراه باشید.

صورت مسئله انتقال حرارت پایا در آباکوس

شکل زیر سطح مقطع یک کوره را نشان می‌دهد که از دو ماده ساخته شده است. دیواره داخلی از جنس بتن با هدایت حرارتی 0.01W m^-1 K^-1 و دیواره بیرونی از جنس آجر با هدایت حرارتی 0.0057W m^-1 K^-1  است. دمای داخل کوره 1273K و ضریب انتقال حرارت همرفت در بتن 0.208W m^-2 K^-1 در نظر گرفته شده است. دیواره آجری بیرونی با هوای محیط در تماس بوده (293K) و ضریب انتقال حرارت همرفتی معادل 0.068W m^-2 K^-1 دارد.

با استفاده از یک مدل دو بعدی اجزا محدود در نرم‌افزار Abaqus، توزیع دمای حالت پایا در دیواره بتنی و جداره آجری را یافته و شار حرارتی عبوری از دیوارها را بررسی نمایید.

◄ حوزه کاربرد: مهندسی مکانیک، مهندسی شیمی

حل مسئله انتقال حرارت پایا در آباکوس

گام اول : مدل‌سازی هندسه مسئله در ماژول Part

با توجه به ابعاد داده شده برای جداره داخلی و خارجی کوره مورد نظر، دو مدل دوبعدی از نوع Shell صفحه‌ای با ابعاد و مشخصات نشان داده شده در شکل زیر ایجاد کنید. مختصات نقاط مورد نیاز برای هر یک از دو قطعه بر روی شکل مشخص شده است.

مدل هندسی دیواره خارجی

مدل هندسی دیواره داخلی کوره

گام دوم : تعریف ماده و اختصاص سطح مقطع در ماژول Property آباکوس

برای تعریف خواص حرارتی بتن و آجر مورد نیاز در مدل‌سازی کوره در آباکوس به ماژول Property وارد شوید. از مسیر Material → Create در منوی اصلی ماژول Property به ایجاد ماده جدید پرداخته و نام Brick را به آن اختصاص دهید. سپس با انتخاب Thermal → Conductivity از پنجره باز شده، عدد 0.0057 را به‌عنوان هدایت حرارتی آجر وارد نمایید.

سپس سطح مقطعی از نوع Solid و Homogeneous با ماده فوق ایجاد کرده و به دیواره خارجی کوره اختصاص دهید.

سپس مطابق روند فوق، ماده مورد نظر برای دیواره داخلی را ایجاد کرده (آن‌را Concrete بنامید) و عدد 0.01 را به‌عنوان هدایت حرارتی بتن وارد نمایید. همانند حالت قبل، سطح مقطعی از نوع Solid و Homogeneous با متریال Concrete تعریف کرده و به دیواره داخلی کوره تخصیص دهید.

گام سوم : مونتاژ دیواره داخلی و خارجی کوره در ماژول Assembly

در ادامه روند مدل‌سازی این آموزش آباکوس، به ماژول Assembly رفته و هر دو قطعه ایجاد شده در ماژول Part را مطابق تصویر زیر مونتاژ نمایید. برای انتقال دیواره داخلی به نقطه مورد نظر می‌توانید از دستور Translate در ماژول Assembly استفاده نمایید.

گام چهارم : تعریف گام زمانی حل – انتقال حرارت پایا در آباکوس

در مرحله بعد و با هدف تعریف گام زمانی مورد نظر برای حل مسئله به ماژول Step وارد شوید. با توجه به نوع مسئله و وجود انتقال حرارت حالت دائم یا پایا در فیزیک مسئله، مطابق تصویر زیر به تعریف Step از نوع Heat Transfer و پاسخ حالت پایا یا Steady-state بپردازید و سایر پیش‌فرض‌های آباکوس را تغییر ندهید.

همچنین می‌توانید مطابق تصویر زیر، دمای مورد نظر در محل اتصال دو قطعه را به‌عنوان پارامتر خروجی تحلیل در History Output تعیین نمایید.

گام پنجم : تعریف خواص انتقال حرارت و دمای محیط در ماژول Interaction آباکوس

با توجه به اینکه برای تعریف خواص و ایجاد تماس بین نواحی مختلف از دیواره خارجی و داخلی کوره نیاز به انتخاب سطوح گوناگون در حین روند مدل‌سازی داریم؛ پیشنهاد می‌کنیم مانند راهنمای تصویری زیر و از طریق مسیر Tools → Surface → Create از منوی اصلی ماژول Interaction به تعریف سطوح مورد نظر بپردازید. با توجه به ماهیت مسئله و تعریف تماس و همچنین شریط دمایی اولیه، نیاز داریم تا 4 دسته سطح تعریف نماییم :

• سطح داخلی دیواره آجری
• سطح خارجی دیواره بتنی

• سطح خارجی دیواره آجری (مشابه تصویر فوق و این‌بار با انتخاب چهار ضلع بیرونی از دیواره آجری)
• سطح داخلی دیواره بتنی (مطابق تصویر فوق و این‌بار با انتخاب چهار ضلع داخلی از دیواره بتنی)

مرحله اول : Tie کردن دیواره داخلی و خارجی کوره

با کلیک بر آیکون نشان داده شده در تصویر زیر، و انتخاب سطح خارجی دیواره بتنی و سطح داخلی جداره آجری، عملیات اتصال بین دو قطعه را به‌کمک دستور Tie انجام دهید.

مرحله دوم : تعریف Surface Film Condition در سطح داخلی دیواره بتنی

مطابق تصویر زیر برای سطح داخلی دیواره بتنی، به تعریف ضریب هدایت حرارتی و دمای اولیه بپردازید. برای این منظور کافیست بر روی آیکون نشان داده شده کلیک کرده و از منوی موجود، حالت Surface Film Condition را برگزینید.

مرحله سوم : تعریف دمای محیط و شرایط انتقال حرارت از دیواره خارجی کوره

مطابق روند اشاره شده در مرحله پیشین و راهنمای تصویری زیر، سطوح خارجی از دیواره آجری را انتخاب کرده و به تعریف دمای محیط و ضریب هدایت حرارتی در آن بپردازید.

گام ششم : مش‌زنی و ایجاد شبکه اجزا محدود

در ادامه روند حل مسئله در آباکوس، به ماژول Mesh رفته و مطابق راهنمای تصویری زیر به مش‌زنی دیواره آجری و سطح بتنی بپردازید. المان DC2D4 آباکوس، به عنوان المان موردنظر جهت تحلیل انتقال حرارت پایا انتخاب شده است.

• مش‌زنی دیواره آجری

• مش‌زنی دیواره بتنی داخلی

گام آخر : Submit کردن حل در ماژول Job

پس از انجام مراحل فوق، مسئله را برای حل به ماژول Job ارسال کنید. تصاویر زیر به ترتیب کانتور دما و شار حرارتی عبوری از دو دیواره کوره را در تحلیل انتقال حرارت پایدار توسط آباکوس نشان می‌دهد.

منبع: آکادمی نرم‌افزارهای مکانیک