بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، شبیه سازی عددی فرآیند کوئنچینگ یک استوانه داغ فلزی با جت آب برخوردی مادون سرد انجام شده است. روش حجم سیال از نرم افزار متن باز اپن فوم،1 به منظور شبیه سازی پدیده های جوشش و میعان در فرآیند کوئنچینگ - خنک کاری سریع - ، توسعه داده شده است. فصل مشترک بین دوفاز با روش حجم سیال، کشش سطحی بین دوفاز به روش نیروی سطح پیوسته - CSF - و انتقال جرم بین دو فاز مایع و بخار با مدل انتقال جرم لی،2 مدلسازی شده است.
تغییرات مربوط به افزودن تغییر فاز و انتقال حرارت بین جامد و سیال به کد نرم افزار، با فرآیندکوئنچینگ جسم داغ توسط جت برخوردی دو فاز که به صورت آزمایشگاهی انجام شده، صحت سنجی شده و تطابق خوبی مابین نتایج عددی با داده های آزمایشگاهی بدست آمده است. در ادامه اثر سرعت، قطر دهانه، دمای مادون سرد و ارتفاع جت بر انتقال حرارت کوئنچینگ مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج مربوط به تغییرات دمای جسم داغ در یک نقطه از جسم و ضریب یکنواختی دمایی نسبت به زمان استخراج شده و نشان داده است که با افزایش سرعت، قطر دهانه جت و همچنین دمای مادون سرد سیال، نرخ انتقال حرارت افزایش می یابد.
-1مقدمه:
بهبود انتقال حرارت یکی از پارامتر های مورد نیاز جهت ارتقا عملکرد سیستم های حرارتی در صنایعی مانند الکترونیک، هوافضا، خودرو و تولید فولاد می باشد. در بیشترکاربرد های انتقال حرارتی از هوا بدلیل ارزان بودن به عنوان خنک کننده استفاده می شود، اما انتقال حرارت بالاتر به تغییر فاز - جوشش - مایع خنک کننده نیازمند است. از طرفی کوئنچینگ فولاد همواره موضوع تحقیق و آزمایش سیستم های خنک کاری مختلف بوده است.
خنک کاری با هوا بازده انتقال حرارتی بسیار کمی دارد، بدین صورت که در دمای اتاق، شار حرارتی ماکزیمم انتقال حرارت جابجایی اجباری از 0,02 تا 0,03 m2kW تغییر می کند. در مقایسه با هوا، آب اما ویژگی های انتقال حرارتی بهتری دارد. کوئنچینگ با حمام آب3شار حرارتی خنک کاری متغیر از 20 تا 1500 m2kW را تولید می کند، در صورتی که جت آب نرخ خنک کاری بسیار بالاتری - حدودا - 6000m2kW در شرایط فشار اتمسفر و بر اساس شار جرمی مایع تولید می کند .[1]
جت برخوردی با تغییر فاز - جوشش - ، وابسته به میزان فوق داغ بودن سطح جسم، همانند شکل 1، ممکن است در سه رژیم مختلف قرار داشته باشد: جوشش فیلم، جوشش گذار و جوشش هسته ای. این سه رژیم جوشش با نوع تماس بین سطح فلز و سیال از یکدیگر متمایز می شوند. گرما وقتی به صورت موثر انتقال می یابد که آب مستقیماً با سطح فلز در تماس باشد - جوشش هسته ای و گذار - و در مکان هایی که سطح از بخار پوشانده شده است - جوشش فیلمی - میزان انتقال حرارت کمتر است.
جوشش آب، هنگامی که دمای سطح خنک شده پایین می آید، از جوشش فیلم به گذار، سپس به هسته ای و در نهایت به جوشش جابجایی تبدیل می شود. جوشش هسته ای، از آنجایی که نرخ انتقال حرارت در آن به ازای میزان کمی از فوق داغ بودن دیواره بالاست، رژیم مورد نظر ما در فرآیند های کنترل حرارتی است .[3] مبانی جت برخوردی جوششی ابتدا توسط کوپلند [4] در 1970 بررسی شد.
سپس کاتو و کونیهیرو [5] از جت آب جهت از بین بردن بخار در جوشش استخری استفاده کردند . همچنین در دهه های اخیر مطالعات مختلفی پیرامون جت برخوردی جوششی با تنظیمات مختلف شامل جت با سطح آزاد، جت مغروق، جت محدود، جت مربعی و جت مصنوعی4 انجام شده و اثر پارامتر های هیدرودینامیکی جت - سرعت جت، مادون سرد5 بودن و سیال جت - ، پارامتر های هندسی جت - ابعاد نازل، فاصله برخورد و تعداد جت - و سطح برخورد - زاویه تماس و ساختار سطح - بر انتقال حرارت جوششی بررسی شد. قابل ذکر است که بیشتر پژوهش های انجام شده در این زمینه رویکردی آزمایشگاهی داشته اند.
بررسی های عددی مختلفی جهت مطالعه انتقال حرارت در فرآیند جوشش، در جت های برخوردی انجام شده است. در این میان کوبایاشی و همکاران [6] یک مدل شبیه سازی CFD را با استفاده از مدل دوفاز اویلری برای کوئنچینگ با جت برخوردی استوانه ای آب ارائه کردند. تحلیل فرآیند کوئنچینگ فولاد دارای حرکت با چند جت آب استوانه ای انجام شد و نتایج مطلوب ارائه شد. طقرایی [7] روشی عددی با استفاده از روش حجم سیال برای شبیه سازی جریان جوششی جت مادون سرد اعمال شده روی یک سطح داغ با دمای 800 C ارائه کرد. طبق نتایج وی با افزایش دمای مادون سرد و سرعت جت، نرخ خنک کاری افزایش می یابد و گذار از جوشش فیلم به جوشش هسته ای زودتر رخ می دهد.
در این مقاله، به منظور شبیه سازی فرآیند خنک کاری کوئنچینگ که نوعی جریان دوفازی همراه با تغییر فاز می باشد، قابلیت پیش بینی تغییر فاز و همچنین شبیه سازی انتقال حرارت بین نواحی جامد و سیال به کد حل در نرم افزار اوپن فوم افزوده شده و مورد اعتبارسنجی قرار گرفته است. در ادامه، فرآیند کوئنچینگ بر روی سطح تخت یک استوانه شبیه سازی و اثر پارامتر های مختلف هیدرودینامیکی بر عملکرد انتقال حرارتی بررسی شده است و همچنین داده های دمایی بدست آمده از شبیه سازی و تغییرات شاخص یکنواختی دمایی با زمان، نشان داده شده اند.
-2معادلات حاکم:
روش حجم سیال6ابتدا توسط هیرت و نیکولاس [8] ارائه شد، که بر تعریف یک تابع مقیاس دلالت می کند. این تابع به ما اجازه می دهد که بدانیم سلول محاسباتی توسط یک سیال اشغال شده یا توسط سیال دیگر و یا به صورت ترکیبی از هر دو است .[9] درCFD7 ، روش حجم سیال یک روش عددی است که سطح آزاد - سطح مشترک سیال-سیال - را دنبال و مکانیابی می کند که متعلق به کلاس روش های اولرین می باشد.
