شبیه سازی ذوب یخ با کامسول
شبیه سازی ذوب یخ با کامسول با مدل‌سازی اثرات تغییر آب و هوا، دانشمندان می‌توانند راه‌حل‌هایی برای کاهش تأثیر بالقوه آن طراحی کنند. یکی از نمونه ها ذوب شدن یخ های دائمی در مناطق شمالی شمالی است. اقلیم شناسان انتظار دارند تاثیرات بزرگ و حلقه های بازخورد مثبت قوی در این مناطق داشته باشند. پروژه InterFrost موارد معیاری را برای آزمایش، ارزیابی و اعتبارسنجی کدهای عددی و مدل‌های فرآیندهای زیرسطحی طراحی می‌کند. مثال در اینجا با معیاری برای استفاده از رویکرد حرارتی-هیدرولیک برای مدل‌سازی یک گنجایش یخ زده در حال ذوب در خاک با دمای بالای صفر مطابقت دارد.
آموزش کامسول انجماد و ذوب سیالات
در داخل یک چیز جامد است – مانند داخل یک رول پیتزا که نیاز به مایکروویو بیشتری دارد. منجمد دائمی ناپیوسته یا پراکنده مثال دیگری است: تکه های یخ منجمد داخل خاک متخلخل (اما هنوز جامد). به عنوان مثال، تکه های یخ در آب است، زیرا یخ در محصور نیست.
در این مثال، شما می توانید تغییر فاز یک انجماد یخ زده از یخ به آب را مدل کنید. چگونه ذوب می شود؟ چقدر طول می کشد تا ذوب شود؟ چقدر طول می کشد تا تمام آب سرد از خاک یخ زده خارج شود؟
در حالی که این شبیه‌سازی معیار خاص مورد توجه اقلیم‌شناسان و دیگر دانشمندان زمین است، مفاهیم نشان‌داده‌شده می‌تواند برای هر کسی که علاقه‌مند به تجزیه و تحلیل تغییرات فاز در محیط متخلخل است استفاده شود. برای این آموزش، فکر کردن به Permafrost ممکن است مفید باشد.
هندسه داده شده در زیر نشان داده شده است. طول کانال 3 متر و عرض آن 1 متر است. داخل یخ 33.3 سانتی متر طول دارد، در (x,y)=(1, 0.5) قرار دارد و -5 درجه سانتی گراد است. در نهایت، گرادیان سر هیدرولیک 3 درصد در طول کانال با دمای 5 درجه سانتی گراد است. به دلیل تقارن، فقط نیمه پایینی کانال شبیه‌سازی می‌شود. اعداد مشخصی از جمله دمای داخل، دمای آب، اندازه هندسه و گرادیان سر هیدرولیک وجود دارد.
چندین معادله در این مثال وجود دارد که مهمترین آنها قانون دارسی است. شما همچنین می توانید موارد زیر را فرض کنید:
معادله انتقال حرارت پراکندگی حرارتی ندارد
چگالی آب با دما ثابت است
ویسکوزیته دینامیکی آب با دما ثابت است
بررسی نتایج شبیه سازی
گنجایش منجمد تنها پس از حدود 20 ساعت در شبیه سازی ذوب می شود. با این حال، 56 ساعت کامل در شبیه‌سازی طول می‌کشد تا دمای خنک‌تر به خارج از کانال منتقل شود (این به این دلیل است که محیط متخلخل بهتر از رسانه آزاد دما را نگه می‌دارد). نگاهی به نتایج…
پس از 9 ساعت، گنجاندن یخ زده هنوز در خاک آشکار است. در حالی که این مدل معیار یک مثال ساده است، نشان می دهد که محققان می توانند برای تجزیه و تحلیل مسائل مشابه و در عین حال پیچیده تر، به شبیه سازی روی آورند. به عنوان مثال، چه می‌شود اگر قسمت منجمد مستطیل شکل نبود، اما در عوض سینوسی بود؟ علاوه بر این، شبیه‌سازی مشکلاتی از این دست می‌تواند به اقلیم شناسان کمک کند تا تعیین کنند یخ چه زمانی ذوب می‌شود و به اشباع آب کمک می‌کند، که منجر به انبوهی از سوالات زمین‌شناسی می‌شود. میتوانید برای آموزش comsol اقدام کنید.
سناریوی دوم برای شبیه سازی ذوب یخ با کامسول
برای جالب‌تر کردن چیزها، بیایید ببینیم اگر دو بلوک یخی در خاک وجود داشته باشد چه اتفاقی می‌افتد. از این گذشته، منجمد دائمی طبق تعریف دارای اجزای منجمد زیادی است. ابتدا، یک بلوک یخ دیگر به هندسه اضافه می شود. همانطور که از انیمیشن بالا می بینیم، بلوک های یخ در ابتدا با همان سرعت ذوب می شوند، اما سرعت ذوب بلوک یخ دوم پس از حدود 9 ساعت کاهش می یابد. می توانید به تغییر گرادیان های دما نگاه کنید تا دلیل آن را ببینید. مقاله شبیه سازی قابلیت پیش بینی کامسول را مطالعه کنید.
در ابتدا، بلوک ها به صورت فردی جدا از یکدیگر ذوب می شوند. پس از مدتی، دمای سرد از بلوک اول به سمت پایین دست به بلوک دوم می رود. این باعث کاهش اختلاف دمای اطراف بلوک دوم می شود که به نوبه خود سرعت ذوب را کاهش می دهد. همانطور که در زیر نشان داده شده است تا 18 ساعت بسیار واضح است. بلوک اول بعد از 21 ساعت ذوب می شود، اما بلوک دوم هنوز راه زیادی در پیش دارد و هنوز کاملاً تحت تأثیر گرادیان دما ناشی از بلوک اول است. نتیجه گیری و مراحل بعدی
حل تحلیلی ذوب آخال های منجمد می تواند دشوار باشد، اما مسائل ساده و پیچیده تر را می توان با استفاده از رویکرد حرارتی-هیدرولیک شبیه سازی کرد. همانطور که این معیار، مثال بعدی و پروژه InterFrost نشان می‌دهد، شبیه‌سازی ابزاری قدرتمند و دقیق برای مدل‌سازی ذوب منجمد دائمی و پیش‌بینی تأثیر تغییرات آب و هوایی در مناطق شمالی شمالی است.
