شبیه‌سازی فرآیند ذوب و انجماد در نرم افزار انسیس فلوئنت (solidification and melting) در نرم‌افزار ANSYS Fluent

شبیه‌سازی فرآیند ذوب و انجماد در نرم‌افزار انسیس فلوئنت

با استفاده از نرم‌افزار انسیس فلوئنت می‌توان مسائل مربوط به فرآیند انجماد و ذوب که در یک دمای ثابت و یا در بازه دمایی خاص اتفاق می‌افتد را شبیه‌سازی کرد. نرم‌افزار فلوئنت به جای دنبال کردن مرز بین جامد و سیال بصورت صریح، از فرمولاسیون آنتالپی-تخلخل (enthalpy-porosity) استفاده می‌کند. ناحیه‌ای که شامل جامد و مایع باشد ناحیه خمیری (mushy zone) نامیده می‌شود. این ناحیه بصورت یک ناحیه متخلخل در نظر گرفته می‌شود که میزان تخلخل آن، برابر با کسر مایع (Liquid Fraction) است و ترم‌های چاه به معادلات مومنتوم برای در نظر گرفتن افت فشار ناشی از حضور ماده جامد اضافه می‌شود. همچنین ترم‌های چاه به معادلات توربولانس برای در نظر گرفتن تخلخل کاهش یافته در نواحی جامد اضافه می‌شوند.

نرم‌افزار Fluent قابلیت‌های متعددی برای مدل کردن فرآیند انجماد و ذوب دارد که عبارتند از:

  • محاسبات مربوط به ذوب یا انجماد مایع-جامد در فلزات جامد، آلیاژهای دوتایی و مواد تغییرفازدهنده (PCMs)

  • مدل‌سازی فرآیندهای ریخته‌گری پیوسته (کشیدن ماده جامد از دامنه)

  • مدل‌سازی مقاومت تماس حرارتی بین ماده منجمد شده و دیواره‌ها

  • مدل‌سازی انتقال گونه‌ها با فرآیند ذوب یا انجماد

  • پس‌پردازش کمیت‌های مربوط به ذوب یا انجماد نظیر کسر مایع

این قابلیت‌ها باعث می‌شود که نرم‌افزار Fluent توانایی شبیه‌سازی طیف وسیعی از مسایل مربوط به ذوب و یا انجماد شامل ذوب مواد، یخ زدن، رشد کریستال و ریخته‌گری پیوسته را داشته باشد.
همانطور که اشاره شد در نرم‌افزار از روش آنتالپی-تخلخل برای مدلسازی فرآیند ذوب و یا انجماد استفاده می‌شود. در قسمت خمیری مقدار کسر مایع از بین صفر و یک در نظر گرفته می‌شود. ناحیه خمیری بصورت جسم شبه متخلخل مدل می‌شود. زمانی که ماده منجمد می‌شود، تخلخل از مقدار یک به صفر کاهش می‌یابد. وقتی که ماده بصورت کامل در یک سلول محاسباتی منجمد شد مقدار تخلخل صفر شده و در نتیجه مولفه‌های سرعت به صفر کاهش پیدا می‌کنند.
آنتالپی ماده (H) از مجموع آنتالپی محسوس (sensible heat) (h) و گرمای نهان (latent heat) (∆H) تشکیل می‌شود.

H=h+∆H

که در این رابطه محاسبه h بصورت زیر است:

 

 

 

 

در رابطه بالا، href آنتالپی مرجع، Tref دمای مرجع و cp گرمای ویژه در فشار ثابت است.
کسر مایع β بصورت زیر تعریف می‌شود:

 

 

اکنون مقدار گرمای نهان می‌تواند بصورت زیر تقریب زده شود:

 

H=βL∆

در این رابطه L مقدار نهایی گرمای نهان ماده می‌باشد. در واقع این معادله مقدار گرمای نهان را بصورت خطی بر اساس کسر مایع تقریب می زند و بدین صورت است که مقدارش از صفر برای حالت جامد و L برای حالت مایع تغییر می‌کند.

برگزاری دوره‌های تخصصی نرم‌افزار ANSYS Fluent در IRANSYS

محدودیت‌های استفاده از مدل ذوب و یا انجماد در نرم‌افزار Fluent به شرح زیر است:

  • مدل ذوب و یا انجماد تنها با حلگر Pressure-Based می‌تواند استفاده شود.

  • مدل ذوب و یا انجماد برای جریان‌های تراکم‌پذیر قابل استفاده نیست.

  • در صورتی که نیاز به استفاده همزمان از مدل‌های چندفاز باشد فقط امکان استفاده از مدل VOF امکان‌پذیر است.

  • به استثنای پخش گونه‌ها، امکان تعریف خواص جدا برای جامد و مایع در مرز بین آن دو وجود ندارد. در واقع در برگه مواد نمی‌توان خواص حالت جامد و مایع را جداگانه تنظیم کرد. برای تعریف خواص مختلف برای حالت‌های مختلف ماده می‌توان از توابع تعریف شده توسط کاربر (UDF) استفاده کرد.

  • به هنگام استفاده از مدل ذوب/انجماد در کنار مدلسازی انتقال گونه‌ها به همراه واکنش، امکان محدود کردن واکنش‌ها فقط به ناحیه سیال وجود ندارد و به همین دلیل واکنش‌ها در هر نقطه از دامنه محاسباتی حل می‌شوند.