بخشی از مقاله
چکیده
این مقاله به شبیهسازی عددی انتقال حرارت جابجایی آزاد در آرایهای از پرههای افقی مستطیلشکل سوراخدار میپردازد. هدف، بررسی اثر سوراخدار کردن پره بر عملکرد حرارتی آن است. برای این منظور، چهار حالت مختلف پره سوراخدار که شامل پره تک سوراخه، پره دو سوراخه و پره سه سوراخه میباشند، شبیهسازی شده و با یکدیگر مقایسه میشوند. علاوه بر این، آرایه پرههای جامد - بدون سوراخ - نیز مورد بررسی قرار میگیرد. نتایج نشان میدهند که با افزایش تعداد سوراخهای تعبیهشده در پره، نسبت نرخ انتقال حرارت بر جرم پره افزایش مییابد به گونهای که در اعداد رایلی بزرگتر، این امر با وضوح بیشتری مشاهده میشود .
-1 مقدمه
دفع سریع حرارت در عملکرد ایمن بسیاری از تجهیزات از قبیل رآکتورهای هستهای و سیستمهای الکترونیکی ضروری است. از سوی دیگر، با پیشرفت فناوریهای پیشرفته، نیاز به کوچک کردن اندازه تجهیزات مهندسی روز به روز بیشتر احساس میشود. در برخی کاربردها، کاهش وزن تجهیزات نیز یک نیاز کلیدی است.
در میان روشهای موجود برای بالا بردن تبادل حرارت، پرهها جایگاه ویژهای را به خود اختصاص دادهاند. اخیراًاستفا ده از مواد متخلخل در ساخت پرهها مورد توجه بوده است.
کیم و همکاران [1] با بررسی تجربی، اثر استفاده از پره های متخلخل را بر روی انتقال حرارت و ویژگیهای جریان در مبدلهای حرارتی مطالعه کردهاند.
ابوحجله [2] به بررسی عددی اثر استفاده از پرههای متخلخل در انتقال حرارت جابجایی اجباری از یک استوانه افقی پرداخته است. او به این نتیجه رسید که با استفاده از پرههای متخلخل، نرخ انتقال حرارت بسیار بالاتری نسبت به پرههای جامد به دست میآید.
کیوان [3] یک مدل ساده برای تحلیل حرارتی پره های متخلخل مستطیل شکل در جابجایی آزاد ارائه کرد. با این وجود، از نقش بخشهای جامد محیط متخلخل در انتقال حرارت جابجایی صرفنظر نمود. تأثیر بخشهای جامد در تبادل حرارت پرههای متخلخل مستطیل شکل در مطالعه رمضانی و همکاران [4] مورد توجه قرار گرفته است. کیوان [5] تبادل تابش پرههای متخلخل را نیز مورد بررسی قرار داده است.
سعیدودین و شاهبابایی [6] به تجزیه و تحلیل جابجایی آزاد در پرههای متخلخل با استفاده از روش اختلال هوموتوپی پرداختهاند. آنها در بررسی عملکرد حرارتی، نوک پره را عایق در نظر گرفتهاند.
اخ نیراً یز رمضانی و زحمتکش [7] یک مدل ریاضی برای پرههای متخلخل سوزنی شکل در جابجایی آزاد ارائه کردهاند.
با تعبیه سوراخ در پرهها میتوان به رفتاری نزدیک به رفتار پرههای متخلخل دست یافت.
شاعری و یعقوبی [8] جابجایی اجباری از پره جامد و سوراخدار مستطیل شکل متصل شده روی یک سطح صاف را مورد مطالعه عددی قرار دادهاند به گونهای که در آن از 1 تا 8 سوراخ تعبیه شده بود. آنها محاسبات را برای طیف وسیعی از اعداد رینولدز انجام داده و به این نتیجه رسیدند که با افزایش تعداد سوراخها، عدد ناسلت کاهش مییابد.
شاعری و جن [9] بالاترین نرخ انتقال حرارت در یک جریان آرام حول یک پره را برای حالتی با بیشترین سوراخ گزارش نمودهاند.
چین و همکاران [10] به بررسی انتقال حرارت جابجایی اجباری از پرههای سوراخدار پرداختهاند. به طور خاص، اثر تعداد سوراخ در هر پره و قطر هر سوراخ مورد مطالعه قرار گرفت. آن ها به این نتیجه رسیدند که عدد ناسلت در پره جامد، 45% بیشتر از پره سوراخدار است.
آمل و همکاران [11] به تجزیه و تحلیل تجربی در افزایش انتقال حرارت و افت فشار مربوط به پرههای استوانهای سوراخدار پرداختهاند. نتایج آن ها نشان میدهد که استفاده از پره های استوانهای سوراخدار منجر به انتقال حرارت بیشتری نسبت به پرههای استوانهای جامد میشود. همچنین، در اعداد رینولدز پایینتر، عملکرد حرارتی بهتری مشاهده شده است.
این مقاله به شبیه سازی عددی انتقال حرارت جابجایی آزاد در آرایه ای از پرههای افقی مستطیل شکل سوراخدار میپردازد. هدف، بررسی اثر سوراخدار کردن پره بر عملکرد حرارتی آن است. برای این منظور، چهار حالت مختلف پره سوراخدار که شامل پره تک سوراخه، پره دو سوراخه و پره سه سوراخه میباشند، شبیهسازی شده و با یکدیگر مقایسه میشوند. علاوه بر این، آرایه پرههای جامد - بدون سوراخ - نیز مورد بررسی قرار میگیرد.
- الف - : آرایه پرههای جامد - ب - : آرایه پرههای تک سوراخه - ج - : آرایه پرههای دو سوراخه
- د - : آرایه پرههای سه سوراخه - ه - : نمایش سوراخ
شکل :1 طرح شماتیک آرایه پرههای جامد و سوراخدار
-2 تحلیل
طرح شماتیک آرایه پرههای سوراخدار تحلیلشده در این مقاله در شکل - 1 - آمده است. همانگونه که در شکل پیداست، سوراخها مانند کانالهایی کوچک با سطح مقطع مربع در امتداد طول پرهها چیده شده و تعداد آنها از 1 تا 3 متفاوت میباشد. هدف از این پژوهش، بررسی تأثیر تعبیه سوراخ در شکلگیری میدان جریان و تبادل حرارت پرههاست. برای این که امکان مقایسه فراهم باشد، در این جا آرایه پرههای جامد - بدون سوراخ - نیز آورده و بررسی میشود. توده هوا، ساکن در نظر گرفته شده است. جنس پره از آلومینیوم با ضریب هدایت حرارتی 202W/m.K فرض شده است. طول، ارتفاع و ضخامت پره به ترتیب برابر با 24، 12 و 4 میلیمتر، و فاصله پرهها از یکدیگر 10 میلیمتر در نظر گرفته شده است. هر سوراخ دارای ارتفاع و عرض 3 میلیمتر در نظر گرفتهشده که طول آن با طول پره برابر میباشد.
-3 دامنه محاسباتی
با توجه به تقارن مسئله، محاسبات فقط برای یک پره، به جای آرایه پرهها انجام میشود. دامنه محاسباتی بکار رفته در شکل - 2 - نشان داده شده است. در این جا کف پره BbeEB و صفحه پایه GBbCDeEjG، در دمای ثابت - Tb - میباشند. تقارن شرایط مرزی برای سطوح LNPRJGL و KMOQDCK در وسط کانال بین دو پره اعمال میشود
