بخشی از مقاله
خلاصه
جت های برخوردی کاربردهای بسیار زیادی در صنایع مختلف دارند.از جمله مهمترین این کاربردها میتوان به خنککاری قطعات توربین و اجزای محفظهی احتراق و همچنین اختلاط و رقیق-سازی سوخت و هوا اشاره کرد. در این مطالعه مشخصه های جریان مغشوش جت های برخوردی دایروی در آرایش رودررو با استفاده از روش عددی سه بعدی برای جت ها با قدرت نابرابر،بررسی می-شود. نسبت فاصله گلوگاه جتها ده برابر قطر هر نازل است و سرعت اولیهی جتها در سه حالت مختلف مطالعه میشود.
این نسبت سرعتها عبارتند از جتهای با سرعت برابر و جتهایی با ده و بیست درصد اختلاف قدرت. در هر سه حالت جت قویتر دارای دمای بیشتری نسبت به محیط اطراف و جت مقابلش میباشد. به منظور مدل سازی سه بعدی ازمدل اغتشاشی شبیه سازی گردابههای بزرگ - LES - و روش حجم محدود استفاده میشود.
هدف از این تحقیق بررسی مکانیزم اختلاط و تاثیر پارامتر قدرت جت ها برروی انتقال حرارت و شکل گیری ساختار های گردابه ای است. نتایج نشانگر این است که تا ده درصد افزایش قدرت جتها، تغییر زیادی نسبت به حالت تساوی قدرت جتها ایجاد نمیشود. ولی باافزایش بیست درصدی قدرت یکی از جتها، جت قویتر جت ضعیفتر را احاطه می-کند. در حالیکه اختلاط برای جت قویتر تشدید میگردد؛ جت ضعیفتر بیشتر ایزوله شده و از انتشارش جلوگیری میشود.
.1 مقدمه
از جتهای برخوردی برای بهبود اختلاط و انتقال حرارت در صنایع مختلف استفاده میشود. از موارد استفادهی این نوع از آرایش جتها میتوان به نازل های سوخت با تنوع سوختی جامد،مایع و گاز،خنک کاری قطعات توربین در صنایع تولید برق اشاره کرد.
تاکنون مطالعات بسیاری بر روی برروی جت های برخوردی دایروی و صفحه ای با آرایش موازی و روبروی هم انجام شده است. در جت های موازی جریان های موازی بعد از مدتی به هم می رسند. هر چند جت های برخوردی در کاربرد های صنعتی مختلفی مورد استفاده واقع شده اند. با این وجود تحقیقات محدودی روی رفتار آن ها انجام شده است.
مقالات جامع دراین رابطه، توسط تمیر [1] و کودرا و موجومدار [2] ارائه شده است که به صورت مروری روی عملکرد مختلف جت های برخوردی متمرکز میباشند. همچنین کارهای تجربی مختلفی روی جت های صفحه ای و دایروی انجام شده است که میتوان به کار استن و جانسون [3] اشاره کرد. آنها به صورت تجربی و عددی میدان سرعت را برای فاصله های مختلف نازل و اعداد رینولدز مختلف جریان بررسی کرده اند.
در مقاله ی لی و همکاران [4,5] به صورت تجربی با روش سیم دود، دو حالت جت های برخوردی صفحه ای و دایروی ارائه گردیده است که در آن تاثیر فاصله ی دو نازل و عدد Re بر روی الگوی جریان بررسی شده است. در کار دیگری توسط لی و همکاران [6,7] الگوی جریان برای حالت های مختلف جت تحت تحریک اجباری مورد مطالعه قرار گرفتهاست. جتهای دوقلوی موازی تخت به صورت تجربی توسط البنا و همکاران [8] بررسی شدهاست. با بررسی کارهای تجربی انجام شده مشخص شده که تعداد تحقیقات انجام شده روی جت های دایروی از صفحه ای بیشتر می باشد. در کارهای تجربی اکثر پارامترها به صورت موضعی بررسی شده و تمامی جزئیات پوشش داده نمیشود. در این شرایط روش های عددی به کمک محققین میآیند.
حسینعلی پور و موجومدار [9,10] در مقالهی خودشان جتهای برخوردی دو بعدی محصور را بررسی کردند. در تحقیق ایشان جریان آرام با شرایط مرزی دیوارههای همدما یا عایق مورد بررسی قرار گرفتهاست. جانسون [12,11] با به کارگیری روش عددی 3D در دو حالت پایا و ناپایا، جت های برخوردی آرام در یک محفظه ی محدود شده ی استوانه ای را مورد مطالعه قرار داده است. همچنین در این مقاله بررسی شده است که عدم برابری جریان دو جت روبه روی هم باعث عدم تقارن میدان جریان می شود.
علت اصلی تاکید بر روی اختلاف جت های دایروی و صفحه ای، تفاوت ماهوی آنها در فرآیند کشش گردابه ای می باشد؛ در جت های صفحه ای، کشش گردابه ای تحت تاثیر نوسانات موضعی است. اما به دلیل افزایش شعاع بعد از برخورد در جت های دایروی، حلقه های گردابه ای خروجی از جت نیز همراه با ساختارهای بزرگ جریان، دچار کشیدگی شدید می شوند. با در نظر گرفتن این توضیح نحوه ی توسعه ی این ساختارها ها در جت های برخوردی دایروی مورد توجه است.
در تحقیق سان و همکاران [13] که تجربی و عددی است صرفا بر روی فرآیند اختلاط با قدرت برابر بحث شده اما درباره ی برخورد جت ها با قدرت نامساوی گزارش نشده است. لی و همکاران [14] در تحقیق خود، جتهای برخوردی با قدرت متفاوت را مطالعه کرده است.در مطالعهی ایشان با کمک روش تجربی و عددی صرفا میدان سرعت بررسی شده است. روش عددی استفاده شده در کار وی روش RANS میباشد. ببس [15] از روش RANS برای مدل کردن جریان توربولانسی برخوردی دارای دمای متفاوت استفاده کرده است .
روشهای RANS، با وجود اینکه روشهای خوبی برای نشان دادن مقادیر میانگین هستند؛ ولی روشهای قدرتمندی برای مدلسازی جریانهای چرخشی و گردابهای نمیباشند. هدف از این گزارش شبیهسازی جریانهای چرخشی و گردابهای به منظور بررسی مکانیزم اختلاط میباشد. بنابراین به جای استفاده از روشهای متوسط گیری زمانی RANS ، از مدل قویتر شبیهسازی گردابههای بزرگ - LES - استفاده شدهاست که منجر به دقیق شدن محاسبات میدان سرعت و دما و به تصویر کشیدن جزئیات بیشتر در برخورد گردابهها میشود.
در این مطالعه دو جت دایروی برخوردی که به صورت متقارن در یک راستا قرار دارند بررسی شده است. مطالعه برای دو جت با دمای متفاوت و در سه نسبت سرعت مختلف انجام شدهاست.
در ادامه، مقاله بدین گونه ساختار یافته است که ابتدا به بررسی هندسه و معادلات حاکم و توضیح روش عددی به کار گرفته شده پرداخته شده است؛ سپس نتایج برای میدان سرعت و دما یا اختلاط بحث شده است.
.2 هندسه
هندسه ی جریان برخوردی بررسی شده شامل دو نازل می باشد که رو به روی هم و به صورت متقارن در یک راستا قرار گرفتهاند. برای بررسی جریان، یک محدوده ی استوانه ای شکل به شعاع 20d و طول 10d در نظر گرفته شده است.
شماتیکی از هندسه به صورت دوبعدی در شکل 1 نشان داده شده است که در آن شبکه در قسمت داخلی و خارجی نازل و نزدیک گلوگاه ریز شدهاست.
شکل - 1 شماتیکی دوبعدی از هندسهی مساله
.2 معادلات حاکم و روش های عددی
در این مطالعه، سیال عامل، هوا با ویسکوزیتهی ثابت و تراکم ناپذیر می باشد.با توجه به این فرضیات معادلات بیبعد بقای جرم، ممنتوم و انرژی به صورت زیر درنظر گرفته میشود:
در معادلهی - 3 - دمای بیبعد استفاده شده است. چون معادلهی اختلاط و انتقال حرارت در جریان تراکمناپذیر مانند هم عمل میکنند؛ معادلهی - 3 - به منظور هم اختلاط و هم انتقال حرارت در نظرگرفته میشود.
پارامترهای و V و ، نشان دهندهی تنسور تنش، بردار سرعت بیبعد شده نسبت به سرعت متوسط ورودی جتها و دمای بیبعد شده است.
