بخشی از مقاله
چکیده
این مقاله بررسی عددی روی جریان لایهای و مشخصات انتقال حرارتی در یک کانال مربعی با دیوار ایزوترمال - همدما - که با بافلهای V شکل 45 درجهایِ خطی، روی دو دیوار روبرو مجهز شده است، را ارائه میدهد. محاسبات بر مبنای روش حجم نمونه با الگوریتم سیمپل برای جریان هوا بر حسب اعداد رینولدز در محدوده 200 تا 2000 انجام شد. بافلهای V شکل خطی با نقطهنوکِ V پایین دستش و زاویه حمله - یا نصف زاویه رأس V - 45 درجهای که با جهت جریان رابطه دارند،مکرراً روی دیوارههای بالایی و پایینی سوار میشوند.
جریان کانال بافلدار یک جریان متناوب کاملاً توسعه یافته و نمایه انتقال حرارت را برای BR = 0.2 در [/ 8در پایین دست ورودی نشان میدهد. تاثیر ضریب ارتفاع بافل های مختلف - BR - و ضریب گام - پرتاب - - PR - ، روی رفتارهای حرارتی برای حالت متناوبکاملاً توسعه یافته بررسی میشوند.
به غیر از افزایش سرعت الگوی جریان متناوبکاملاً توسعه یافته، با افزایش هدایت BR سبب افزایش در مقدار Nu/Nu0 و f/f0 میشود، در حالیکه PR یک روند مخالف آن را ارائه می-دهد. در شرایط مشابه، عملکرد بافل V شکل از عملکرد بافل زاویهدار بهتر است. بافل V شکل با BR = 0.2 و PR = 1.5 بیشترین بازده حرارتی در حدود 3,8 را ایفا میکند در حالی که Nu/Nu0 گاهی اوقات 14 بار بیشتر از کانال صاف در رینولدز بالاتر است.
-1 مقدمه
برای چند دهه، بسیاری از تکنیک های مهندسی برای بهبود سرعت انتقال حرارت همرفتی از سطوح دیوار منجر به اختراع مبدل حرارتی فشرده و در نتیجه افزایش راندمان انتقال حرارت شد. ژنراتورهای جریان چرخشیمعمولاً در افزایش موثر ضریب انتقال حرارتی و همچنین کاربردش در انتقال حرارت متراکم در بسیاری از برنامه های کاربردی مهندسی از قبیل مبدلهای حرارتی، فرایند خشک کردن و احتراق گردابی شناخته شده است.
دستگاههای جریان چرخشی میتوانند در دو نوع دسته بندی شوند: جریانهای چرخشی مدوام و غیر مداوم - زوالپذیر - . حرکتچرخشیِ که در تمام طول لوله - مجرا - برای مثال مارپیچی/نوار پیچ خورده و سیم مارپیچی الحاقی، که پیش از این نشان داد شد، همچنان نیز ادامه دارد، در حالیکه معنی دوم آن چرخش ایجاد شده در ورودی لوله و سپس زوال آن در طول مسیر جریان است، برای مثال تزریق مماسی، دنده / بافل و ژنراتورهای گرداب وینگلت - خمیدگی کوچک روبهبالا - . در نوع غیر مداوم ضریب انتقال حرارت و کاهش افت فشار با فاصله محوری همراه است، در حالی که در نوع مداوم، ضریب انتقال حرارت و افت فشار در سرتاسر جریان ثابت نگه داشته میشوند.
اکثر دستگاه های جریان چرخشی که قبلا به آنها اشاره شد به طور موثر برای اطراف لوله به کار گرفته میشوند، در حالی که فقط دنده / بافل و وینگلت برای بکارگیری در کانالها و مجراهای سطح صاف مناسب هستند. در کانال سیستمهای مبدل حرارتی با کارایی بالا، بافلهای متناوب - یا دنده نازک - به طور گسترده ای در بسیاری از کاربردهای صنعتی استفاده می شود.
کانال بافلدار یا دنده-نازک موفق - صحیح و درست - مانع از گسترش لایه مرزی حرارتی، و بنابراین موجب افزایش عملکرد انتقال حرارتی میشود و در نتیجه راندمان انتقال حرارت در کانال بافلدار بسیار بهتر از راندمان انتقال حرارت در کانال صاف و بدون بافل است. به علت اهمیت کاربردی انتقال حرارت و مشخصه های جریان در کانالهای بافلدار بسیاری از محققان را به خود جلب کرده است.
رفتار جریان لایهای در یک کانال مجهز به بافل عرضی 90 درجهای که روی دو دیوار مقابل با آرایش متناوب سوار و نصب شده بود توسط برنر و همکاران مورد بررسی قرار گرفت. آنها دریافتند که جریان مستقل از انتشار گرداب در اعداد رینولدز زیر 600 است. وب و رامادیانی جریان سیال و مشخصههای انتقال حرارتی در یک کانالصافِ متصل به بافل زیگزاگی - متناوب - را مورد بررسی عددی قرار دادند.
کلر و پاتانکار گزارش دادند که انتقال حرارت در یک کانال با بافل زیگزاگی - متناوب - با افزایش ارتفاع بافل و با کاهش فضای بافل افزایش مییابد. لوپز و همکاران یک بررسی عددی روی همرفت اجباری لایهای - آرام - در یک کانال سه بعدی بافلدار برای جریان کاملاً توسعه یافته متناوب و با شار حرارتی یکنواخت در بالا و پایین دیوار انجام دادند.
تاثیر بافل منفرد در منطقه ورودی روی رفتارهای حرارتی در یک کانال توسط جیو و آناند مورد مطالعه قرار گرفت. کو و آناند یک آزمایش برای جریان آشفته کانال با بافلهای متخلخل انجام دادند و متوجه شدند که بافل متخلخل یک رفتار جریان به خوبی بافلهای جامد ارائه میدهد. موسوی و هومن یک آزمون عددی روی رفتار انتقال حرارتی در منطقه ورودی یک جریان کانال لایهای - آرام - در سراسر بافل زیگزاگی انجام دادند و گزارش دادند که عدد پرانتل تحت تاثیر محل دقیق منطقه توسعه یافتهکاملاً متناوب قرار دارد.
اخیراً، تأثیر بافلهای زاویه دار مختلف که روی یک یا دو دیوار از یک کانال مربعی در انتقال حرارت قرار می گیرد و ویژگی های جریان مورد بررسی عددی قرار گرفت. تحقیقات نشان داد که جریانهای گردابی آبراهه توسط بافلهای زاویه دار موجود ایجاد میشود و به القاء جتهای برخورد/وابستگی روی مجرای دیوارها که افزایش شدید میزان انتقال حرارت را در کانال سبب میشود، کمک میکند.
اگر چه مطالعات متعددی بر روی سطوحزبرِ - خشن - بافل گزارش شده است، هیچ متون و منبعی که در آن رفتارهای انتقال حرارتی و جریان را در کانال مربعی با بافلهای V شکل خطی در منطقه جریان متناوب کاملاً توسعه یافته منتشر کند، وجود ندارد. دلیل این که در گذشته بسیاری از تحقیقات آزمایشی و عددی روی کاربرد دنده مربعی متمرکز شده بود فقط نظم و ترتیب متنوع قرارگیری آن در کانال بود.
بنابراین هدف اصلی پژوهش حاضر بررسی جریان لایهای و مشخصههای انتقال حرارت در یک کانال مربعی با ارتفاعهای مختلف بافل Vشکل و فاصله طولی و به دست آوردن مشخصات متناوبکاملاً توسعه یافته هم برای جریان و هم برای شرایط حرارتی، با استفاده از شبیهسازی کامپیوتری میباشد. محاسبات عددی برای جریانهای کانال متناوب لایهای سه بعدی در بافلهای Vشکل 45 درجهای کهمکرراً روی هم دیوارهای بالایی و هم پایینی سوار و نصب شده اند، برای محدوده Re از 200 تا 2000 انجام شده است.
-2 جریان و هندسه بافل
سیستمجالبِ جریان یک کانال مربعی افقی با بافلهای Vشکل است کهمکرراً توسط قرارگیری نقاط پایین دست نوکV، روی دیوارهای بالایی و پایینی شکل میگیرد، همانطور که در تصویر 1 به تصویر کشیده شده است. طول کامل کانال مربعی به 3 قسمت تقسیم شده است: ورودی - m 0 ,5 - ، قسمت آزمایش - m 0,7 - و خروجی . - m 0,1 - جزئیات طول کامل کانال بافل Vشکل در تصویر a.1 نشان داده شده است در حالیکه یک کانال متناوب، دامنه محاسباتی و شبکهیِ آن در شکل b.1 نشان داده شده است.
کانال جریان متناوب یک جریان متناوبکاملاً توسعه یافته و شرایط دمایی را به دست میآورد که در آن میدان سرعت و الگوی انتقال حرارت خود را از یک ناحیه به ناحیه دیگر تکرار میکند. درناحیه جریان متناوب، هوا از طریق ورودی دما وارد کانال میشود، Tin، و جریانهای روی یک زوج بافلV شکل 45 درجهای که b نامیده میشود، ارتفاع بافل است و H روی m0,05 تنظیم شده است، ارتفاع کانال و b/H به عنوان نسبت انسداد یا همان BR شناخته شده هستند.
فاصله گام محوری، L مسافت بین سلولهای بافل است که بر روی L=H، 1.5H و H2 تنظیم شده است و L/H به عنوان ضریب گام یا PR تعریف شده است. برای بررسی اثر متقابل بافلها، نسبت انسداد بافل - BR - را در طیف های متنوع BR=0.10 - 0.25 با سه ضریب گام مختلف PR=1، PR=1.5 و PR=2 برای 45 در حال حاضر محاسبه میکنیم.
-3 مدل سازی ریاضی
-1-3 اساس ریاضی
مدل عددی برای جریان سیالات و انتقال حرارت در کانال مربعی تحت فرضیات زیر توسعه داده شد:
. جریان هوای سه بعدی، ثابت و انتقال حرارت
. جریان لایهای،کاملاً توسعه یافته و تراکم ناپذیر است.
. مشخصات هوای ثابت
. نیروهای سطحی، تابش حرارتی و اتلاف ویسکوز نادیده گرفته شود.
بر اساس مفروضات فوق، جریان کانال با استفاده از پیوستگی، معادلات ناویه استوکس و معادله انرژی کنترل میشود.
