بخشی از مقاله
چکیده
در پژوهش حاضر انتقال حرارت و افت فشار در یک کانال چیندار مربعی و باریک به روش عددي مورد مطالعه قرار گرفته است. این شبیهسازي با استفاده از یک شبکه سازمانیافته، دوبعدي و غیر یکنواخت با مدل جریان آشفته انجام گرفته است.
در پژوهش حاضر محدوده وسیعی از اعداد رینولدز، با استفاده از چهار مدل آشفتگی و شش آرایش مختلف بررسی شده است. نتایج حاکی از آن است که مدل درخط در چین باریک بهترین آرایش و هندسه، از نقطه نظر افت فشار و عملکرد حرارتی کانال میباشد. از طرفی مدل آشفتگی Standard k با نتایج تجربی تطابق مطلوبی دارد.
مقدمه
امروزه سعی بر این است که سیستم هاي مرتبط با انرژي بیشینه بازدهی حرارتی را داشته باشد و به همین منظور استفاده از روش هایی که باعث افزایش انتقال حرارت می شود می تواند تاثیر بسزایی بر کارکرد سیستمها داشته باشد. تلاش مستمر صنعت مبدل هاي حرارتی جهت دستیابی به بازدهی بالاتر منجر به توسعه و پیشرفت مبدلهاي حرارتی و به ویژه کانال هاي چین دار منجر شده است.
چیندار کردن صفحات موجب افزایش سطح انتقال حرارت و همچنین تولید آشفتگی بیشتر در رژیم جریان سیال داخل کانال خواهد شد. در صورت مواجه بودن با محدودیت فضا و نیاز به کاهش اندازه و وزن مبدل حرارتی، صفحات چیندار پیکربندي مطلوبتري نسبت به صفحات تخت به حساب میآیند. علاوه بر این ابعاد، وزن، میزان مصرف انرژي، میزان انتقال حرارت، افت فشار و در مجموع ضریب افزایش حرارتی - η - میتوانند به عنوان فاکتورهاي مهم در طراحی کانالها مد نظر قرار بگیرند. بر همین اساس، در این زمینه مطالعات گستردهاي در طول دو دهه اخیر انجام گرفته است.
اسپارو1 و همکاران مشخصههاي انتقال حرارت محلی و متوسط براي جریان در یک کانال چیندار مثلثی را به طور تجربی مورد بررسی قرار دادند. نتایج تحقیقات آنها مشخص نمود که ضریب انتقال حرارت میانگین در کانال مثلثی تقریباً به اندازه سه برابر نسبت به کانال صاف افزایش یافته است. ایمسا و پرومونگ[ 3] 2 با استفاده از چهار مدل آشفتگی متفاوت براي حل جریان در کانال با چینهاي مستطیلی دریافتند که مدلهاي آشفتگی Standard k و k مطابقت بیشتري با نتایج آزمایشگاهی دارند.
تیانپونگ3 و همکاران [4] به صورت تجربی تاثیر تغییر عدد رینولدز، ارتفاع و نحوه آرایش پرههاي مثلثی متساويالساقین بر روي انتقال حرارت و افت فشار در کانال را مورد تحلیل قرار دادند. آنها دریافتند که نحوه آرایش هم راستاي پرهها در سطوح بالایی و پایینی، باعث افزایش انتقال حرارت و افت فشار میشود.
با توجه به پژوهشهاي انجام شده هدف از تحقیق حاضر بررسی تاثیر تغییر مشخصه هندسی پرهها و نحوه آرایش پره ها و عدد رینولدز بر عملکرد کانال می باشد. براي بررسی تاثیر مدلهاي آشفتگی متفاوت و همچنین دست یافتن به یک مدل قابل اطمینان و معتبر جهت مدلسازي، چهار مدل متفاوت آشفتگی بررسی شده است و مناسبترین آنها براي مطالعات بعدي مورد استفاده قرار گرفته است.
هندسه مسئله و شبکه محاسباتی نمایی شماتیک از هندسه مطالعاتی در شکل 1 نشان داده شده است:
شکل:1 نماي شماتیک از هندسه مسئله
همانگونه که مشاهده می شود، براي اطمینان از توسعه یافته شدن جریان براي ورود به محدوده محاسباتی و برطرف شدن اثرات ورودي و خروجی جریان، ناحیه ورودي و خروجی هر کدام به ترتیب به اندازه 20H و 10H در نظر گرفته شده اند. لازم به ذکر است که هندسه نشان داده شده در بالا مربوط به هندسه مورد استفاده براي اعتبارسنجی با کار آزمایشگاهی بوده است.
در شکل 2 شماي کلی از شبکهبندي دامنه محاسباتی نشان داده شده است. شبکهبندي مسئله با استفاده از نرم افزار گمبیت2,41 به صورت دوبعدي و غیر یکنواخت انجام شده است که در نواحی با گرادیانهاي شدید، شامل نواحی نزدیک به دیوارهها، از شبکهبندي ریزتر بهره گرفته شده است.
شکل:2 نماي شماتیک از شبکه بندي کانال چیندار
معادلات حاکم معادلات حاکم بر جریان شامل بقاي جرم، مومنتم و انرژي تحت شرایط دو بعدي، تراکم ناپذیر و پایا به ترتیب به صورت زیر تعریف می شوند:
که در معادله - 3 - ، و t به ترتیب ضریب پخش حرارتی مولکولی و آشفتگی می باشند.
همچنین براي مرتبط ساختن تنشهاي رینولدز و گرادیانهاي سرعت نیز از رابطه بوزینسکی1 که یکی از متداولترین روشها در این زمینه میباشد استفاده شده است
به منظور ارزیابی مقادیر دماي متوسط حجمی، ضریب اصطکاك، ضریب انتقال حرارت، عدد ناسلت و ضریب بهبود عملکرد حرارتی نیز از روابط 5 تا 9 استفاده شده است:
شرایط مرزي
هوا با دماي ورودي 300k و خواص ترموفیزیکی ثابت به عنوان سیال عامل در نظر گرفته شده است. براي ورودي کانال، شرط مرزي سرعت ورودي بر اساس عدد رینولدز و براي خروجی کانال نیز شرط مرزي فشار خروجی در نظر گرفته شده است. همچنین براي صفحات بالا و پایین کانال به ترتیب شرایط مرزي دیواره شار حرارتی ثابت و عایق لحاظ شده است.
روش حل عددي
حل معادلات دو بعدي، پایا و غیر قابل تراکم پیوستگی، مومنتم، انرژي و همچنین معادلات مربوط به مدل آشفتگی k Standard بر اساس روش حجم محدود و توسط حلکننده بر پایه فشار صورت گرفته است و جهت گسستهسازي ترم فشار و سایر ترمهاي معادلات، به ترتیب روش استاندارد و تقریب مرتبه دوم استفاده شده است.
براي حل دقیق گرادیانهاي شدید سرعت در لایه مرزي نزدیک دیواره نیز از تابع دیواره بهبود یافته بهره گرفته شده است. روش تکراري براي حل نیز، زمانی که باقیمانده هاي تراز شده محلی براي تمامی معادلات پیوستگی، مومنتم، معادلات آشفتگی و انرژي از 10 -6تجاوز نکرده باشد پایان یافته است. از طرفی دیگر، صحت موازنه بودن معادلات جرم و انرژي در ورودي و خروجی کانال نیز با دقت مطلوب در هر حل مد نظر قرار گرفته است.
بحث و بررسی نتایج در شکلهاي 3 و 4 تغییرات ضریب اصطکاك و عدد ناسلت2 متوسط نسبت به تغییرات عدد رینولدز، براي چهار مدل آشفتگی با نتایج تجربی اسکولونگ3 و همکاران [6] مقایسه شده است.
