بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله شبیه سازی جریان آرام و آشفته و انتقال حرارت در کانال های ریب دار با نرم افزار فلوئنت انجام شده است. از دو نوع هندسه ریب - مانع - مربعی و ذوزنقه ای جهت افزایش انتقال حرارت با تعدادیک تا چهار ریب استفده شده است. شبیه سازی در جریان های آرام و مغشوش در بازه اعداد رینولدز 100 تا 10000 انجام گردیده است. نتایج نشان می دهد که وجود مانع بدلیل اختلاط جریان باعث افزایش عدد نوسلت و در نتیجه میزان انتقال حرارت می شود.
همچنین با افزایش تعداد ریب ها - از یک تا چهار ریب - میزان انتقال حرارت افزایش می یابد اما افت فشار جریان نیز افزایش می یابد که بایستی جبران گردد. به علاوه با افزایش عدد رینولدز و بخصوص از جریان آرام به مغشوش افزایش چشم گیر انتقال حرارت در نتیجه وجود موانع را شاهد هستیم. با مقایسه دو مانع مربعی و ذونقه ای دریافتیم که اگرچه مانع ذوزنقه ای افت فشار بیشتری را بوجود می آورد اما انتقال حرارت نیز نسبت به مانع مربعی کمی بیشتر است.
1. مقدمه
محدود بودن منابع مختلف انرژی و مصرف روزافزون آن و نیز مساله آلودگی محیط زیست، بهینه سازی سیستم های انرژی را ضروری ساخته است. یکی از راه های معقول بهینه سازی مصرف انرژی، افزایش آهنگ انتقال گرما در سیستم های گرمایی است. در مبادله کن های گرمایی صفحه ای که یکی از پرکاربردترین سیستم های گرمایی در صنعت می باشند، این کار به روش های مختلف در جهت کاهش حجم مبادله کن گرمایی و در نتیجه حجم سیال عامل و در نهایت کاهش مصرف انرژی صورت می گیرد. معمولا برای افزایش آهنگ انتقال گرما از سه روش استفاده می شود:
الف - روش غیر فعال - - Passive method که بدون صرف انرژی از خارج سیستم، انتقال حرارت افزایش می یابد، مانند استفاده از ریب ها یا حفره ها و دیگر وسایل ایجاد کننده جریان چرخشی نظیر فنرها و نیز سطوح گسترده با عملکرد گرمایی بالا و غیره.
ب - روش فعال - - Active methodکه با صرف انرژی از خارج سیستم انتقال گرما افزایش می یابد، مانند مکش یا دمش بر روی سیا ل، ارتعاش سیال یا سطح، گرم کردن یا سرد کردن دیواره، تزریق ذرات جامد به جریان، استفاده از جت، میدان های الکتریکی یا مغناطیسی و غیره.
ج - روش ترکیبی - - Compound method که ترکیبی از هر دو روش می باشد. چنانچه گفته شد یکی از این روش ها، استفاده از ریب ها یا موانع جهت اختلاط بیشتر جریان و در نتیجه افزایش انتقال حرارت است. ایجاد گردابه های چرخشی در جریان سیال و افزایش اختلاط و به خصوص در نزدیکی دیواره های مبدل از تشکیل لایه مرزی جلوگیری می گردد . فرصت نیافتن سیال برای تشکیل لایه مرزی که خود از مقاومت های مهم در برابر انتقال حرارت محسوب می شود از دلایل عمده افزایش نرخ انتقال حرارت میان سیال درون مبدل می باشد .
بعلاوه افزایش سرعت شعاعی و محوری در جریان سیال داخل مبدل باعث نوعی یکنواختی در توزیع دما در طول مبدل و در هر مقطع از آن می گردد. نحقیقات بسیاری بر پارامتر های مختلف جریان و هندسه بر میزان انتقال حرارت انجام شده است.[1-6] با توجه به اینکه استفاده از ریب ها علاوه بر افزایش ضریب انتقال حرارت ، محدودیت افت فشار نیز باید مراعات شود، لذا انتخاب شکل هندسی که بتواند افت فشار مجاز و افزایش انتقال حرارت را تواما برآورده کند از اهمیت خاصی برخوردار است.
2. تئوری مساله
کانالی مستطیلی به طول L= 200 mm ،ارتفاع H=25/5 mm و عرض W=51 mm است و طول - e - و ارتفاع ریب - h - برابر 0,1 ارتفاع کانال در نظر گرفته شده است . - e=h=0.1H - محاسبات برای یک تا جهار ریب در چهار عدد رینولدز متفاوت Re= 100 , 1000 - جریان آرام و Re =5000 , 10000 جریان مغشوش - انجام گرفته است. شکل 1 شماتیکی از کانال با چهار ریب مربعی را نشان می دهد.
انتگرالگیری از معادله - 3 - روی المان حجمی و استفاده از تئوری دیورژانس به برقراری تعادل بین ترمهای شار جابجائی و پخش، بعلاوه ترم چشمه میشود. پس از گسسته سازی معادلات به روش حجم محدود، توسط یک الگوریتم - SIMPLEC - که فشار بعنوان متغیر اصلی می باشد حل می شود. همچنین در جریان آشفته مدل k- به دلیل وجود جریان چرخشی حلگردیدهاست. در گسسته سازی شاره ها از درون یا برون یابی مرتبه دوم بالا دست استفاده شده است. در ادامه موارد فوق بطور کامل توضیح داده خواهد شد.
3. نتایج حل عددی و نتیجهگیری
شکل 2 تاثیر تغییرات عدد رینولدز بر عدد نوسلت درون یک کانال بدون ریب - Re=100 ,1000, 5000, 10000 - را نشان می دهد. یکی از اولین نتایجی که میتوان از این نمودار دریافت این است که جریان مغشوش نسبت به جریان آرام دارای نوسلت Nu بالاتری است. ملاحظهمیگردد که در لبه ورودی کانالها، عدد نوسلت مقدار بزرگی دارد، زیرا در آنجا لایه مرزی شکلنگرفتهاست و به تدریج با شکلگیری و رشد لایه مرزی روی کانال، عدد نوسلت کاهشمییابد اما میزان افت فشار در جریان مغشوش نسبت به جریان آرام در یک کانال بدون ریب بیشتر است.
در کانال با ریب پرشهایی در عدد نوسلت به دلیل وجود گردابه یا یک منطقه حباب چرخشی - سرعت سیال در این قسمت بسیار ناچیز و در حدود صفر است - پشت ریب وجود دارد. گردابههای که در این قسمتها ایجادمیشوند، نقش بسزایی در اختلاط جریان در این نواحی دارند، بنابراین به دلیل این اختلاط و در نتیجه برهمخوردن لایه مرزی گرمایی، عدد نوسلت و به تبع آن انتقال گرما در این نواحی افزایشمییابد - شکل5و. - 6 ملاحظهمیشود که با افزایش عدد رینولدز، میزان انتقال گرما و در نتیجه عدد نوسلت افزایش مییابد. همچنین با افزایش عدد رینولدز، تغییرات عدد نوسلت در محل شکستگیهای دیوارههای کانال افزایشمییابد که ناشی از قوتگرفتن بیشتر شدت جدایش جریان میباشد.
