بخشی از مقاله
چکیده
امروزه افزایش کارائی و بهینهسازی سیستمهای انرژی از اهمیت ویژهای برخوردار است. از اینرو، پژوهشها و بررسیها در زمینه علوم مربوط به انتقال حرارت مورد توجه محققان میباشد. از آن جا که انتقال حرارت توسط سیالات در کاربردهای مهندسی اهمیت فراوانی دارد، روشهای افزایش انتقال حرارت و عوامل موثر بر آن از قبیل خواص سیال و شرایط مرزی هندسه مورد مطالعه، موضوعات مهمی میباشند که باید مورد بررسی قرار گیرند. نانوسیالات، بهعنوان نوع جدیدی از سیالات دارای ضریب انتقال حرارت بالا، تقاضای فزآینده برای انتقال حرارت مناسب را با توجه به شرایط بهکارگیری آنها تا حدی تأمین میکنند.
یکی دیگر از راهکارهای افزایش انتقال حرارت در مبدلهای حرارتی، افزایش طول پیمایش سیال و ایجاد جریانهای ثانویه میباشد. از جمله ابزارهای ایجاد چنین شرایطی، نوارهای پیچشی هستند که درون مبدلهای حرارتی بهکار گرفته میشوند. این نوارهای دارای مشخصات هندسی مختلفی میباشند و بهصورت تجاری در دسترس هستند.
مطالعات عددی در این زمینه محدود میباشد. علاوه بر این تمام این مطالعات بهصورت تکفاز میباشند. با توجه به دقت مطالعه دوفازی در این زمینه مخصوصاً برای کسور حجمی بالا، در این مطالعه از مدل دوفاز اویلری-لاگرانژی استفاده شده است. مشکل اولیه در شبیهسازی حاضر انتخاب یک مدل آشفتگی مناسب است که هدف این مطالعه میباشد. پیشنهاد این مدل آشفتگی راهنمای سایر محققان خواهد بود.
-1 مقدمه
مصرف نفت، گاز و زغال منجر به گرمایش زمین و تولید آلایندهها خواهد شد. این روند با شدت و بهطور فزآیندهای ادامه دارد. از اینرو، استفاده بهینه از انرژی باید مدنظر قرار گیرد. مبدلهای حرارتی بهعنوان ابزارهای کلی در انتقال حرارت نقش مهمی را در فرآیندهای بازیابی، تهویه مطبوع، سیستمهای سرمایشی و نیروگاههای حرارتی ایفا میکنند. عملکرد مبدلهای حرارتی بر بازده و هزینههای سیستم اثرگذار است. بنابراین، افزایش عملکرد حرارتی برای رسیدن به توسعه پایدار انرژی مهم است.
از جمله روشهای افزایش انتقال حرارت روش انفعالی است. این روش معمولاً با تغییرات هندسی در سیستم یا تغییر سیال موجب افزایش انتقال حرارت میشود. استفاده از نانوذرات یک روش شناخته شده در افزایش انتقال حرارت است. یکی از انواع تغییرات در هندسه، وارد کردن نوار پیچشی در لولههای مبدل حرارتی است. مکانیزمهای اصلی افزایش انتقال حرارت بهدلیل وارد کردن نوارهای پیچشی درون لوله بهصورت ذیل است؛ کاهش قطر هیدرولیکی لوله که موجب افزایش در سرعت و انحنای جریان میشود که به نوبه خود میتواند تنش برشی کنار دیواره را افزایش و جریانهای ثانویه ایجاد نماید.
همچنین، سرعت نزدیک جدار لوله بهدلیل مسدودسازی نوار چرخشی که موجب کاهش ضخامت لایه مرزی میشود افزایش مییابد. سرعت بهدلیل جریان مارپیچی ناشی از نوار افزایش مییابد. جریان چرخشی باعث اختلاط بهتر بین مناظق مرکزی و نزدیک دیواره جریان میشود. در ادامه به بررسیهای عددی انجام شده در زمینه تغییرات انتقال حررات با استفاده همزمان نوار چرخان و نانوسیال در یک لوله پرداخته میشود. مطالعات تجربی زیادی در این زمینه انجام شده است که در اینجا بهدلیل رعایت اختصار به آنها اشارهای نمیشود و تنها به مطالعات عددی پیشین پرداخته میشود.
آزمی و همکارانش [1] مطالعه تجربی خود در مورد اثر نوارهای پیچشی در لولههای ساده با نانوسیال آب و دیاکسیدسیلسیم در جریان آشفته [2] را با استفاده از روش عددی نیز تکرار کردند. آزمایشهای آنان با کسر حجمی حداکثر 4 درصد صورت گرفت. حداکثر افزایش انتقال حرارت نسبت به سیال پایه آب در یک لوله ساده حدود 94درصد برای عدد رینولدز 19000، نسبت پیچشی 5 و کسر حجمی 3درصد بهدست آمد که البته افزایش 160درصدی ضریب اصطکاک را نیز در پی داشت. همخوانی خوبی بین نتایج عددی و آزمایشگاهی مشاهده شد.
آزمی و همکارانش [1] مطالعه خود را اولین بررسی عددی در این زمینه دانستند. آنان در بررسی تجربی برای یافتن خواص نانوسیال از اندازهگیری و در مطالعه عددی از روابط تکفاز استفاده نمودند. آیمسا و کیاتکیتیپانگ [3] افزایش انتقال حرارت با قرار دادن نوارهای پیچشی بهصورت چندگانه در جریان نانوسیال آب و ذرات دیاکسیدتیتانیوم با کسور حجمی مختلف را با استفاده از شبیهسازی عددی بررسی نمودند.
لولهها از مس ساخته شده بودند. در کنار بررسی عددی، مطالعه آزمایشگاهی نیز انجام شد. در مطالعه آزمایشگاهی و عددی آنان کسر حجمی نانوذرات حداکثر 0.2درصد و عدد رینولدز در بازه 5400 تا 15200 تغییر میکرد. از مدل آشفتگی RNG k- بدون مقایسه سایر مدلها استفاده شد. از بسطهای QUICK و مرکزی برای گسستهسازی جملات جابجایی و پخش و از الگوریتم سیمپل برای ارتباط میدانهای فشار و سرعت در روش حجم محدود استفاده کردند.
در ورود شدت آشفتگی برابر 10درصد فرض شد. خواص نانوسیال با استفاده از مدل تکفاز محاسبه میشد. نویسندگان دلیل افزایش بازده حرارتی با استفاده از نوارپیچشی در لوله نسبت به یک لوله ساده در شبیهسازی عددی خود را جریانهای چرخشی و گردابههای طولی چندگانه دانستند. افزایش تعداد نوارها در لوله منجر به افزایش ضریب عملکرد میشود که نویسندگان دلیل آن را افزایش سطح تماس، زمان اقامت، شدت چرخش و اختلاط جریان به دلیل گردابههای طولی چندگانه برشمردند.
همچنین، افزایش تعداد نوارها منجر به افزایش ضریب اصطکاک نیز میشد. قرارگیری نوارهای پیچشی بهصورتی که چرخش همجهتی را ایجاد نکنند باعث ایجاد انتقال حرارت بالا و ضریب اصطکاک قابل قبول میشد. آیمسا و همکارانش [4] افزایش انتقال حرارت در لوله مبدل حرارتی مجهز به نوارهای پیچشی دوگانه با نانوسیال آب و ذرات دیاکسیدتیتانیوم را بهصورت عددی بررسی کردند. عدد رینولدز بین 5400 تا 15200 و حداکثر کسر حجمی نانوذرات 0.2درصد بود. از روش حجم محدود و بسطهای QUICK و مرکزی برای جداسازی جملات جابجایی و پخش استفاده شد.
معیار همگرایی رسیدن باقیماندههای نرمالشده به 10-6 بود. شدت آشفتگی ورودی 10درصد تعیین شد. همچنین، خواص ترموفیزیکی نانوسیال بهصورت تکفاز مستقل از تغییرات دما فرض شد. مدل آشفتگی RNG k- استفاده شد. نتایج نشان داد اختلاف کمتر بین نسبت پیچشی دو نوار منجر به شدت یافتن چرخش، انرژی آشفتگی بالاتر و اختلاط سیال میشد.
قرار دادن دو نوار که یکی نسبت پیچشی 1.5 برابر دیگری داشت، موجب افزایش 89درصدی انتقال حرارت و 5.43 برابری ضریب اصطکاک نسبت به لوله ساده میشد. با افزایش کسر حجمی نانوذرات، به دلیل افزایش سطح تماس و افزایش ضریب انتقال حرارت هدایت، انتقال حرارت افزایش مییافت. استفاده همزمان از هر دو راهکار نوار پیچشی و نانوذرات میتوانست حدود یازده درصد انتقال حرارت را نسبت به لوله با نوار پیچشی در آن افزایش دهد.
مرور ادبیات نشان میدهد که نتایج عددی، دادههای آزمایشگاهی در زمینه استفاده از نوارهای پیچشی را تأیید میکنند. اولین بررسی عددی در زمینه استفاده همزمان نوارهای پیچشی و نانوسیالات در یک مبدل حرارتی در سال 2013 میلادی انجام شده است. از آن زمان تاکنون، بررسیهای بسیار اندکی در این زمینه صورت گرفته است. در تمام این مطالعات عددی از مدلهای تکفاز برای خواص نانوسیال استفاده شده است؛ حال آنکه، چنین مدلهایی بهعلت نادیده گرفتن برخی نیروهای مهم واردشده بر ذرات از دقت کافی برخوردار نیستند و میتوانند عامل خطای زیادی در مقایسه با دادههای آزمایشگاهی باشد.
ازاینرو، در مطالعه حاضر از مدل دوفاز اویلری-لاگرانژی برای شبیهسازی عددی انتقال حرارت نانوسیال در لوله با نوار چرخان درون آن استفاده میشود. با توجه به استفاده از مدلهای آشفتگی مختلف در مطالعات پیشین، مدل مناسب آشفتگی برای بررسی دوفازی حاضر از بین مدلهایی که قبلاً در مطالعات تکفاز مشابه استفاده شده است با استفاده از مقایسه نتایج عددی و تجربی انتخاب و برای اولین بار به سایر محققان خواهد شد. از اینرو، مقاله حاضر راهنمای سایر محققان در شبیهسازی دوفازی مسائل مشابه خواهد بود.
