بخشی از مقاله
چکیده
به دلیل کاربرد صنعتی فراوان، در این تحقیق بررسی عددی جریان مغشوش در یک کانال دایرهای شکل که درون آن قطعات X شکل سوراخدار با تخلخلهای 0% ، 5/7% ، 10/15% و 15/87% قرار داده شده است، انجام شد. در این تحقیق ابتدا بخشی از نتایج برای سیال هوا به دست آمد و با تحقیق تجربی میزانوزامان و دیگران [1] مقایسه شد که مطابقت خوبی بین حل با روش عددی و حل با روش آزمایشگاهی و تجربی مشاهده شد. در ادامه نتایج برای نانوسیال آب- اکسید تیتانیوم به دست آمد.
ناسلت متوسط دیواره لوله و بازده حرارتی لوله با قطعات الحاقی نسبت به لوله بدون قطعه الحاقی به منظور به دست آوردن نتایج حاصل از استفاده از قطعات الحاقی X شکل به دست آمد که نتایج به دست آمده نشان میدهد استفاده از قطعه الحاقی با ضریب تخلخل 0% باعث کاهش انتقال حرارت نسبت به حالت لوله بدون قطعه الحاقی میشود. استفاده از قطعه الحاقی با ضریب تخلخل 5/7% و بالاتر موجب افزایش انتقال حرارت نسبت به حالت بدون قطعه الحاقی شده که در ضریب تخلخل 15/87% این افزایش انتقال حرارت بیشینه است. نتیجه دیگری که در انجام این تحقیق حاصل شد افزایش انتقال حرارت با افزایش عدد رینولدز در لوله و افزایش انتقال حرارت با افزایش نسبت حجمی ذرات نانو در سیال پایه آب بود.
مقدمه
برای افزایش انتقال حرارت راههای مختلفی وجود دارد که دو راه از این راهها افزایش سطح انتقال حرارت و افزادن نانوذرات به سیال پایه است. چوی [2] اولین کسی بود که واژه نانوسیال را برای اشاره به سیال با نانو ذرات معلق به کار برد. چوی و همکارانش نشان دادند که با اضافه کردن مقدار کمی نانو ذره - کمتر از % 1حجمی - به سیالات مرسوم، انتقال حرارت تا 2 برابر افزایش مییابد. تعدادی از محققان، مسودا و همکاران [3] ، لی و همکاران [4] ، خوان و لی [5 ] و خوان و روتزل [6 ] نشان دادند که با افزودن 1-5 درصد حجمی نانو ذرات معلق هدایت حرارتی تا بیش از 20% افزایش مییابد. ایستمن و همکاران [7] در آزمایشگاه ملی آرگون با یک سری آزمایشات ساده نشان دادند که میتوان با به کار بردن 5% در صد حجمی نانو ذره - - در سیال پایه آب به افزایش 60% در هدایت حرارتی رسید.
گوپت و دیت [8] به صورت نیمه تجربی نتایجی را برای جریان مارپیچ چرخان نواری تولید شده در حلقههایی به دست آورده و مورد ارزیابی قرار دادند. نتایج برای نسبت شعاع های 0/41 و 0/61 و نسبتهای چرخش ، 5/302 ، 5/038 و 2/059 به دست آمدند.
یودین [9] عملکرد انتقال حرارت هوا در میان لوله دارای پرههای مستطیلی داخلی را مورد مطالعه قرار داد که ضریب انتقال حرارت براساس قطر داخلی و مساحت نامی در حدود 1/5 تا 1/75 بار بالاتر از ضریب انتقال حرارت مربوط به لوله ساده بود. شرما و ساندر [10] قطعات الحاقی نواری طولی - مستطیلی و با مقاطع مربعی با نسبت ظاهر متفاوت - را برای بهبود انتقال حرارت برای هر دو طرح قدیمی و طرحهای جدید مبدلهای حرارتی پوسته و لوله استفاده کردند.
ها و چنگ [11]جریان آرام کاملاً توسعه یافته در لولههای با پرههای داخلی با فرض شار حرارتی ثابت را مورد تحلیل قرار دادند. سرکار و دیگران [12] انتقال حرارت جابجایی جریان متلاطم در یک لوله دایروی با زائدههای سوراخدار به شکل ستاره و از جنس فولاد کم کربن با تخلخلهای 0 ، 1/5 ، 6/1 ، 13/71 و 24/37 را مطالعه کردند. مامون [13] در یک تحقیق تجربی خواص انتقال حرارت جریان مغشوش در حالت پایا در یک لوله که از داخل تکهتکه شده و یک لوله پرهدار تکهتکه نشده در پمپاژ ثابت را مورد بررسی قرار داد.
سرکار و دیگران [14] انتقال حرارت در جریان مغشوش در یک لوله با قطعات الحاقی نواری را مطالعه کردند و دریافتند که انتقال حرارت برای لوله با یک قطعه الحاقی در راستای طولی بالاتر از انتقال حرارت برای لوله ساده است. لی و دیگران [15] شبیهسازی عددی سهبعدی یک لوله با گودیهای زبر داخلی در رینولدز 2000 تا 11000 را انجام دادند.
شکوهمند و سایهوند [16]مطالعه عددی مفصلی از جابجایی اجباری آرام کاملاً توسعه یافته در یک لوله که به صورت جزئی با یک وسیله متخلخل پر شده بود را انجام دادند. آنها مدل توسعه یافته فرچیمرB برینکمن برای ناحیه متخلخل را اتخاذ کردند. سرکار و دیگران [17] پژوهشی به منظور مطالعه افت فشار و انتقال حرارت جریان مغشوش در لولهای با زائدههای میخی شکل انجام دادند.
برگلس و دیگران [18] تأثیر لولههای موجدار با قطعات الحاقی نواری تابدار را بر روی ضریب اصطکاک و ضریب انتقال حرارت بین آب به عنوان سیال اصلی و بخار در حال چگالش برای جریان مغشوش بررسی کردند. تحقیقات نشان میدهد که تعداد اندکی پژوهش درباره عملکرد حرارتی لولههای با قطعات الحاقی X شکل و با تخلخلهای متفاوت و همچنین جریان نانوسیال در این لولهها وجود دارد؛ بنابراین این پژوهش برای بررسی انتقال حرارت جابجایی اجباری در لولهای با قطعات الحاقی نواری با شکل ضربدری سوراخدار در راستای طولی که نانوسیال در آن جریان دارد انجام شده است. برخی از نتایج این تحقیق با پژوهش تجربی انجام شده توسط میزانوزامان و دیگران [1] مقایسه میشود.
تشریح مسئله و فرمول بندی ریاضی
در پروژهی پیش رو لولهای مورد تحلیل قرار میگیرد که دارای طول 5/5 متر است که قسمت اصلی تحلیل آن 1/5 متر میانی است و 2 متر از ابتدا و 2 متر از انتهای آن برای ورود و خروج جریان به صورت کاملا توسعهیافته قرار داده شده است. به منظور افزایش انتقال حرارت قطعاتی الحاقی در قسمت 1/5 متر میانی که همان بخش تحلیل است قرار داده شده است. قطر داخلی لوله54 و قطر خارجی آن 60 میلیمتر است. در این پروژه 5 هندسه وجود دارد که 4 عدد آن لوله با قطعه الحاقی است و یکی لوله توخالی است.
یکی از لولههایی که دارای قطعه الحاقی است هندسه سادهای دارد به این دلیل که قطعه الحاقی آن ساده و بدون سوراخ است. قطعه الحاقی سه هندسه دیگر دارای سوراخهایی هستند که تفاوت این سه هندسه در قطر سوراخهای قطعه الحاقی است. متغیر هندسی 4 هندسهای که دارای قطعه الحاقی هستند را Rp مینامیم که به صورت سطح کل سوراخها به سطح کل قطعه الحاقی تعریف میشود.
در این پروژه در چهار مقدار مختلف Rp تحلیل انجام میشود که این مقادیر 0% - بدون سوراخ - 5/7%، 10/15% و 15/87% هستند. با این اعداد سوراخهایی به قطرهای به ترتیب 0، 2/66، 3/55 و 4/43 برای قطعهی الحاقی به دست خواهد آمد که گام قطری سوراخها 20 میلیمتر و گام طولی آنها 15 میلیمتر خواهد بود. تعداد سوراخها 100 عدد است. این مسئله به دلیل افزایش انتقال حرارت کاربردهای صنعتی فراوانی دارد.
شکل : 1 قطعه الحاقی
ورودی لوله هوا و نانوسیال با مشخصات ثابت است. جداره لوله دارای شار حرارتی ثابت است و به دلیل وجود قسمت ورودی که طولی به اندازه 2متر دارد جریان در ابتدای بخش تحلیل کاملاً توسعهیافته خواهد بود. توزیع دمای موضعی و متوسط دیواره و دمای بالک موضعی سیال و ضریب انتقال حرارت موضعی و متوسط و ناسلت موضعی و متوسط و در پایان راندمان حرارتی لفافه به دست میآید. متغیرهای دیگر این مسئله عدد رینولدز و نسبت حجمی ذرات در سیال پایه است. بعضی از نتایج به دستآمده با مقاله تجربی میزانوزامان و دیگران [1] مقایسه میگردد و نتایج آن در ادامه خواهد آمد.
فرضیات مسأله
تحلیل سه بعدی است.
حالت پایا در نظر گرفته شده است. مشخصات نانوسیال و هوا ثابت است.
انتقال حرارت ویسکوز در نظر گرفته شده است. ازانتقال حرارت تششعی صرفنظر شده است. جریان، تراکمناپذیر و مغشوش است.
قطر داخلی لوله به جای قطر هیدرولیکی برای محاسبه رینولدز قرار داده میشود. نانو ذرات اندازه و شکل یکسان دارند.
نانوسیال به صورت تکفازی در نظر گرفته شده است.
مقایسه مدلهای اغتشاشی مختلف از نظر حجم و زمان محاسبات
مدل اسپالارت آلمارس چون فقط یک معادله انتقال را حل میکند نسبت به سایر مدلهای موجود به کمترین حجم محاسبات نیاز دارد، مدل k − ε استاندارد به دلیل داشتن یک معادله انتقال اضافی نسبت به مدل اسپالارت آلمارس به محاسبات بیشتری نیاز دارد، مدل Realizable k − ε نسبت به مدل k − ε استاندارد فقط خیلی کم افزایش حجم محاسبات دارد ولی مدل RNG k − ε به دلیل غیر خطی بودن و داشتن ترمها و توابع بیشتر در معادلات حاکم خود، نسبت به مدل k − ε استاندارد در حدود 10 تا 15 درصد به زمان میباشد.
