Basit Bir Boru İçi Akış Analizi ile CFdesign, Fluent ve Comsol Çözümlemelerinin Karşılaştırılması

Herkese Merhaba

CFdesign, Fluent ve Comsol programlarının sonuçlarını karşılaştırmak için yaptığım bu boru içi akış analizini sizlerle paylaşmak istiyorum.

Problemde 90 derecelik bir dirseğe sahip 100 mm çapındaki borudan 20 C sıcaklığında ve 0,1 m/s hızında akan soğuk su ile, 50 mm çapındaki borudan 80 C sıcaklığında ve 0,2 m/s hızında akan sıcak su karışıyor.

Bu problemde çıkış sıcaklığını ve çıkış ortalama hızını hem analitik olarak Excelde, hem de nümerik olarak CFdesign’ da, Fluent’ te ve Comsol’ da hesaplattım.

Q = m.c.ΔT eşitliğini düşünürsek;

1. c sabiti 2 akışkan da aynı olduğu için denklemlerde sadeleşiyor.
2. m (kütle) yerine de A.V (Alan x Hız) yani hacimsel debiyi kullanabiliriz.
3. ΔT yerine de direkt olarak T değerini alabiliriz.

Değiştirilmiş denklem ile Q = A.V.ΔT oluyor. Yani akan akışkan debilerini sıcaklıklarıyla çarpıp topladığımızda çıkan enerjiyi toplam enerji gibi düşünebiliriz. Bu değeri toplam debiye yani çıkış debisine böldüğümüzde de çıkan değer çıkış sıcaklığı oluyor.

İşlemleri içeren Excel dosyasını aşağıdaki linkten indirebilirsiniz.
Tıkla İndir

Çıkış Değerleri (Excel Hesaplamaları)


Gelelim nümerik analizlere. Öncelikle CFdesign’ ın sonuçlarına bir bakalım. Excel’deki analitik çözümlerden çıkış sıcaklığının 40 C ve çıkış ortalama hızının 0,15 m/s çıkması gerektiğini biliyoruz.

CFdesign Hız Dağılımı………………………………..……....CFdesign Sıcaklık Dağılımı
.

CFdesign Ort.Çıkış Hızı...........CFdesign Çıkış Sıcaklığı
.
CFdesign sıcaklığı %0,002 hata ile 39,92 C olarak, hız değerini ise %0,0002 hata ile 0,147 m/s olarak hesapladı.

Fluent’te sonuçlara bakalım.

Fluent Hız Dağılımı……………………………….....………..Fluent Sıcaklık Dağılımı
.
Fluent sıcaklığı %0,02 hata ile 312,40 K (39,25 C) olarak, hız değerini ise %0,09 hata ile 0,164 m/s olarak hesapladı.

Son olarak da Comsol’ da sonuçlara bakalım

Comsol Hız Dağılımı…………………………….....……..…..Comsol Sıcaklık Dağılımı
.
Comsol sıcaklığı 44.03 C ile 36.16 C arasında lineere yakın bir dağılımla ortalama 40,09 C olarak %0,002 hata ile, hız değerini ise %0,0004 hata ile 0,156 m/s olarak hesapladı.

Hesaplanan değerler gerçek değerlere çok yakın. Programlar arasında kıyas yapacak olursak CFdesign kullanım olarak çok rahat. Arayüzü kullanıcı dostu. Birkaç tıkla işlerinizi çok rahat halledebiliyorsunuz. 125 iterasyon ile gerçek değerlere çok yakın sonuçlar elde edebildim. Süre olarak da mesh yapısına bağlı olarak çözüm süresi Fluent’ e kıyasla biraz daha uzun oluyor. Fluent’ e gelecek olursak arayüz olarak uğraştırıcı. Ortalama değerleri hesaplatmak için CFdesign’da “Wall” seçeneği ile çabucak değerleri okudum ama Fluent’ te böyle bir seçenek bulamadım. Ayrıca CFdesign kullanıcıya girecek pek bir değer bırakmıyor. Sadece sınır koşullarını ve malzemeleri giriyorsunuz. Ama Fluent’te mesh yaparken sınırlara isim vermek gerekiyor. Türbülans değerlerini her sınır koşulunda tekrar giriyorsunuz. Birkaç tane de ne olduğunu anlamadığım, tutorialın birinden bakarak yaptığım ayar var tabii :) Comsol’ da da işler biraz karışık ve mesh yapısı CFD uygulamalar için özel bir yapı barındırmıyor. Mekanik analizler için elverişli olan tetrahedral mesh yapısı atmak zorunda kaldım. İterasyon sayısını girmeden yakınsama yaparak çözüme ulaşıyor sanırım. Comsol 40 iterasyonla sonuçları elde edebildi ama işlemler CFdesign’a ve Fluent’e kıyasla biraz daha uzun sürdü.

Toparlayacak olursak, CFDesign doğru kullanıldığı sürece doğru sonuçlar veriyor ve program yazarları arayüzde hata yapacak pek bir şey bırakmamış, Fluent, Ansys bünyesine katıldıktan sonra biraz kullanılabilir olmuş ama hala kullanıcı dostu değil, Comsol ise CFD mesh yapısına sahip mi tam olarak bilemiyorum, çok inceleme fırsatım olmadı ama sonuçları değerlendirmede Fluent’ten iyi CFdesign’dan kötü diye düşünüyorum. Arayüzü kısmen kullanıcıya yardımcı oluyor.

Ek olarak;

• Fluent’teki ve Comsoldaki değerler ortalama değer olarak (CFdesign’daki “Wall” özelliği gibi) hesaplanırsa daha gerçeğe çok daha yakın değerler çıkacaktır.
• 3 programda türbülans modeli biraz fark gösteriyor sanırım. Bundan kaynaklı, sonuçlar biraz farklı çıkmış olabilir.
• Analiz yaparken tasarımlar sadeleştirilmelidir. Simetrik bir problem olduğu için modelin yarısını çizip simetri eksenini programlarda göstererek hesaplamalar yaptım. Diğer türlü 2 kat mesh, bu da 2 kat hesap zamanı demek oluyor.
• Soğuk su borusunu bilerek biraz uzun çizdim. Kısa olduğu zaman akışkan termik dengeye ulaşamadan borudan çıkıyor.
• Bu analiz için gerek duymadım ama giriş boru uzunlukları da tam gelişmiş akım için biraz daha uzun çizilebilir.
  

Bir başka analizde görüşmek üzere…
Kalın Sağlıcakla…