بخشی از مقاله
چکیده
در موتورهای دیزل، با تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی گرمایی حاصل از احتراق، دمای پیشانی شعله می تواند به حدود× درجه سلسیوس برسد.×به لحاظ تنش های حرارتی ایجاد شده و نوع آلیاژ مواد مورد استفاده در ساخت سیلندر و سر سیلندر، مانند چدن و آلومینیم که دمای مشخصی را می توانند تحمل نمایند، برای کاهش دما در نقاط داغ نیاز به سیستم خنک کاری مناسب می باشد
یکی از موثرترین روش های انتقال حرارت در صنعت، استفاده از برخورد جت می باشد که تاکنون مطالعات بسیاری بر روی آن انجام شده است. با ورود نسل جدیدی از سیالات بر عرصه علم و صنعت که در اثر افزودن ذرات فلزی در ابعاد نانومتر با ضریب انتقال حرارت بالا به سیال پایه که نانوسیال نیز نام گرفت، تحول شگرفی در زمینه انتقال حرارت به وجود آمد. در این مقاله با تعبیه شیاری توخالی به دور محفظه احتراق و در درون بدنه پیستون و وارد کردن نانوسیال به صورت برخورد جت، به بررسی کاهش دمای پیستون پرداخته خواهد شد. با بررسی نتایج بدست آمده از مطالعه در میان نانوسیالات آبAl2O3/، آبCuO/ و آبTiO2/، بیشترین نرخ انتقال حرارت در نانوسیال آبAl2O3/ قابل مشاهده می باشد.
مقدمه
امروزه موتورهای دیزل به دلیل شاخصه های عملکردی بسیار مناسب مانند نوع سوخت، عدم وابستگی عملکرد موتور به شرایط آب و هوایی و نسبت تراکم بالای احتراق که خود باعت افزایش بازده حرارتی می شود، بسیار مورد توجه قرار گرفته است. زمانی که یک موتور دیزل شروع به فعالیت می کند، با تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی گرمایی حاصل از احتراق، دمای موضعی گاز داخل سیلندر می تواند تا 2500 درجه سلسیوس برسد که در حدود %50 شار حرارتی محفظه احتراق به پیستون انتقال خواهد یافت. این افزایش دما می تواند منجر به اکسیداسیون و یا تغییر شکل پیستون گردد که در نتیجه عملکرد نامناسب موتور را به همراه خواهد داشت
از آنجایی که بهینه سازی عملکرد سیستم های خنککننده همواره یکی از مهمترین دغدغههای صنایعی بوده که به نوعی با انتقال گرما در ارتباط هستند، افزایش سطوح انتقال دهنده حرارت به عنوان اولین راهکار مورد توجه صاحبان صنایع قرار گرفته که البته این کار افزایش شدید اندازه دستگاهها و تجهیزات را در پی خواهد داشت. برای غلبه بر این مشکل، راهکاری نوین و مؤثرتر با عنوان نانوسیال مطرح شده است. نانوسیالات از توزیع ذرات فلزی از قبیل مس و نقره یا اکسید فلزی مثل اکسید آلومینیم و اکسید مس با ابعاد نانومتر 1 - تا 100 نانومتر - در سیالات معمولی حاصل می شوند که بهبود قابل توجه خواص حرارتی را در پی دارند.
با وجود تحقیقات وسیعی که در سالهای اخیر بر روی جریانهای نانو سیالات صورت گرفته، جریان نانوسیال در مسأله جت کمتر مورد توجه بودهاست.[2] در این مقاله با تعبیه شیاری توخالی به دور محفظه احتراق پیستون موتور دیزل دریایی مدل سی تک 820 پلاس و وارد کردن نانوسیال به صورت برخورد جت، به بررسی کاهش دمای پیستون پرداخته خواهد شد. این موتور اغلب در شناورهای تندرو نظامی، گشتی و تفریحی مورد استفاده قرار می گیرد.
تیماه و فراهت[3] 2 با بررسی همزمان عددی و آزمایشگاهی انتقال حرارت و جریان سیال در برخورد یک جت آب به یک سطح دایروی، روابطی را برای عدد ناسلت میانگین ارائه کردند. آنها به این نتیجه رسیدند که با افزایش عدد رینولدز سیال، ضریب انتقال حرارت میانگین نیز افزایش می یابد.
زینالی1 و همکاران [4] به بررسی آزمایشگاهی جابجایی نانوسیالات حاوی نانوذرات اکسید مس و اکسید آلومینیوم بر روی دیواره ای با دمای ثابت پرداخته و به این نتیجه رسیدند که با افزایش کسرحجمی نانوذرات، ضریب انتقال حرارت افزایش خواهد یافت. همچنین در بین دو نانوسیال مورد آزمایش، نانوسیال آبAl2O3/ عملکرد بهتری در خصوص میزان انتقال حرارت نشان داده است.
زیتون و علی[ 5] 2 به مطالعه آزمایشگاهی انتقال حرارت ناشی از برخورد جت دایروی نانوسیال آب- اکسیدآلومینیم به یک صفحه هدف دایروی پرداختند و تاثیر پارامترهایی همچون دبی جریان سیال، قطر نازل، قطر صفحه هدف و کسرحجمی های نانوذرات را مورد بررسی قرار دادند. آنها به این نتیجه رسیدند که با افزایش کسر حجمی نانوذرات در رینولدز ثابت، عدد ناسلت افزایش می یابد.
بی جوی3 و آگاروال[ 6] 4 به بررسی عددی خنک کاری پیستون با استفاده از جت روغن پرداختند. آنها در مطالعات خود، مسیری جهت عبور روغن بدور محفظه احتراق در نظر گرفته و انتقال حرارت ناشی از حرکت روغن را مورد ارزیابی قرار دادند. نتایج مطالعات ایشان حاکی از کاهش %20 دمای نقاط مختلف پیستون می باشد.
آگاروال و وارقس[7] 5 در مطالعه ای مشابه به بررسی عددی خنک کاری موتور دیزل با بهره گیری از مساله برخورد جت روغن پرداختند. آنها پارامترهای مختلفی همچون نوع روغن، سرعت ورودی روغن و فاصله نازل تا صفحه هدف را مورد بررسی قرار دادند و به این نتیجه رسیدند که بیشترین دمای پیستون در صفحه فوقانی پیستون و در نزدیکی محفظه احتراق واقع شده که بیشترین انتقال حرارت را داراست. همچنین با مقایسه میزان انتقال حرارت در صورت حضور و یا عدم حضور جت روغن، اختلاف دمای برخی از نقاط تا 40 درجه سانتیگراد بیان کردند.
بوش[8] 6 در مطالعه ای که برای دانشگاه استن فرد لندن انجام داد به بررسی پدیده چاکتیل شیکینگ7 در پیستون موتورهای احتراق داخلی پرداخت که این پدیده عبارتست از اشغال بخشی از فضای در نظر گرفته شده برای سیال خنک کننده توسط هوا. مطالعات ایشان نشان داد که در صورت نفوذ هوا در سیال خنک کننده، تاثیر چشمگیری در میزان انتقال حرارت قابل پیش بینی خواهد بود.
محمد ایزدی نجف آبادی و همکاران [9] به بررسی عددی و آزمایشگاهی خنک کاری پیستون با استفاده از مساله برخورد جت پرداختند. آنها در شبیه سازی عددی خود از مدل مغشوش k-w استفاده کرده و تاثیر تغییر سرعت ورودی سیال بر میزان انتقال حرارت را مورد بررسی قرار دادند. همچنین به جهت افزایش دقت محاسبات، محدوده سیال و جامد را با شرط مرزی کاپلد8 از یکدیگر جدا کردند. نتایج مطالعات ایشان نشان داد که مدل k-w بهترین مدل برای جریان مغشوش این مساله بوده و یک رابطه خطی بین سرعت سیال ورودی و ضریب انتقال حرارت میانگین برقرار می باشد.
توصیف مساله
شکل 1 طرح هندسه سه بعدی مساله را نشان می دهد. دراین مقاله به تحلیل پیستون موتور دیزل دریایی مدل سی تک 820 پلاس که مشخصات دقیق آن در جدول 1 آمده است، خواهیم پرداختلذا. هندسه مذکور دقیقاً مطابق با هندسه واقعی مدل شده است. همانطور که مشاهده می شود شیاری توخالی محفظه احتراق را محسور کرده و توسط دو دستک9 که در واقع راهگاه ورود و خروج سیال به شیار خنک کاری می باشد، به محل گجین پین پیستون متصل شده است.
شکل :1 طرح هندسه مساله
جدول:1 مشخصات موتور دیزل مدل SEATEK 820 PLUS
معادلات حاکم
معادلات حاکم بر یک مساله، در واقع رفتار و عملکرد اجزای تشکیل دهنده آن مساله را بیان می کند. از آنجایی که موضوع مقاله حاضر در خصوص حرکت سیال و انتقال حرارت می باشد، اولین معادلاتی که در ذهن نقش می بندد معادلات ناویر - استوکس بوده که البته معادلاتی همچون معادله انرژی و معادلات مرتبط با خواص نانوسیال تکمیل کننده معادلات فوق می باشند.
