بخشی از مقاله
چکیده
این مقاله به ارزیابی رفتار حرارتی و هیدرودینامیکی مدل اغتشاشی k- برای کانالی شامل دو عدد ریب مشابه با ضخامت 0/2 متر با فواصل متفاوت از هم و تنوع زاویه قرارگیری آنها میپردازد. ریبهای مورد مطالعه در دیوارههای جانبی کانال نصب شدهاند. این گونه جریان هاعموماً در سیستم خنک کاری داخلی پره های توربین گاز پیشرفته وجود دارند .
در این تحقیق به منظور حل معادلات حاکم بر میدان جریان و دما از روش عددی حجم محدود به همراه الگوریتم پیزو. استفاده شده است. با توجه به کانتورهای ضمیمه شده مشاهده میشود که وجود ریب، ایجادکننده جریان چرخشی و مغشوش است و رفتار هیدرودینامیکی و نیز انتقال حرارت بر روی دیواره ریب دار تحت تاثیر گردابهها و جدایش جریان در پایین دست ریبها خواهد بود.
مقدمه
سرمایش و گرمایش سیالات برای بسیاری از فرایندهای صنعتی شامل منابع حرارتی، فرایندهای تولیدی، حمل و نقل و الکترونیک نقش مهمی دارد و منابع بسیار زیادی در مورد روشهای افزایش نرخ انتقال حرارت در این فرایندها گزارش داده شده است، بیشتر این روشها بر مبنای تغییرات در ساختار تجهیزات، نظیر افزایش سطوح حرارتی - پرهها - ، لرزش سطوح حرارتی، تزریق یا مکش سیال و اعمال جریان الکتریکی یا مغناطیسی متمرکز میباشند.[3-1]
کمالی و بینش [4] برای چهار نوع دنده دو بعدی مربعی، مثلثی، ذوزنقهای با کاهش ارتفاع در جهت جریان و ذوزنقهای با افزایش ارتفاع در جهت جریان، شبیه ساری عددی را انجام دادند و ویژگی-های انتقال حرارت و هم چنین اصطکاک را بررسی کردند. آنها دریافتند که دنده ذوزنقهای شکل با کاهش ارتفاع در جهت جریان دارای بیشترین مقدار انتقال حرارت و دنده ذوزنقهای شکل با افزایش ارتفاع در جهت جریان دارای کمترین ضریب اصطکاک است.
رئیسی[5] به بررسی جریان و انتقال حرارت در مجاری ریب دار دو بعدی و سه بعدی پرداخته است. محاسبات سه بعدی در هندسههایی با ریبهای متقارن و نیز یک در میان انجام گرفته است. وی ازمدل-های توربولانسی k- ناحیهای، مدل k- خطی و مدل DSM استفاده کرده است و مقدار ناسلت موضعی را در امتداد خط مرکزی و مقدار ناسلت متوسط را نیز در طول کانال بهدست آورده است. نتایج کار وی نشان میدهد مقادیر ناسلت موضعی در مدل k- ناحیهای کمتر از مقادیر اندازهگیری شده میباشد در حالیکه در دو مدل دیگر با اصلاح ترم مقیاس طول مقادیر ناسلت موضعی و متوسط بهتر پیش-بینی شدهاند.
کیم و همکاران [6] به بررسی ویژگی های جریان و انتقال حرارت در کانال دنده دار با چهار نوع پروفیل سرعت ورودی از جمله پروفیل سرعت یکنواخت و کاملا توسعه یافته پرداختند. مطالعات آنها نشان داد که در نزدیکی ورودی اثر پروفیل سرعت ورودی نسبتا بالاست در حالی که هرچه به قسمت پایین دست میرفت با توجه به اختلاط جریان اثر آن کمتر می شد.
علاوه بر آن مشخص شد که عدد ناسلت برای پروفیل سرعت ورودی یکنواخت بیشترین و برای پروفیل سرعت کاملا" توسعه یافته کمترین مقدار را دارد. همچنین پروفیل سرعت کاملا" توسعه یافته پایین ترین ضریب اصطکاک و پروفیل سرعت یکنواخت منجر به بیشترین ضریب اصطکاک گردید. پروفیل سرعت کاملا" توسعه یافته %20 عملکرد حرارتی بیشتری نسبت به پروفیل سرعت یکنواخت از خود نشان داد. دو پروفیل سرعتهای دیگر عملکرد حرارتی مشابهی داشتند.
گارگ و دینگرا [7] اثر ترکیب دنده متناوب مثلثی و توربولاتور-های پره دار را در یک کانال با نسبت ابعاد بالا برای رژیم جریان مغشوش، و اعداد رینولدز مختلف از 22000-5200 بر روی انتقال حرارت، ضریب اصطکاک و ضریب عملکرد حرارتی مورد مطالعه قرار دادند. آنها به وضوح مشاهده کردند که ضریب انتقال حرارت با افزایش عدد رینولدز افزایش مییابد، این نوع دنده و پره برای زاویه حمله 30، 45 و 60 درجه به ترتیب 90 ، 85 و 80 بیشترازکانال صاف حرارت نرخ انتقال حرارت را افزایش میدهد.
در کانالهای تناوبی و صاف مقدار ضریب اصطکاک کمتر از ترکیب دنده و پره دار است. نسبت ضریب اصطکاک برای ترکیب دنده و پره با زاویه حمله 30، 45 و 60 درجه به ترتیب در محدوده 3/63-2/27، 3/9-2/51 و 4/3-2/75 است. همچنین مشخص شد ضریب عملکرد حرارتی با افزایش زاویه حمله پره و افزایش عدد رینولدز، تمایل به کاهش دارد.
وانگ و همکاران [8] به تجزیه و تحلیل عددی و تجربی جابجایی جریان آب درون لوله با دنده تناوبی در طیف وسیعی از رینولدز از 20000 تا 60000 برای پیش بینی عملکرد حرارتی و دینامیکی برای دنده های مثلثی، دنده قوس دار نامتقارن و دنده ترکیبی پرداختند. آنها دریافتند که حداکثر انتقال حرارت برای دنده ترکیبی در p/e= 6 - نسبت گام دنده به ارتفاع آن - و برای دنده مثلثی و قوس دار در p/e =6 اتفاق می افتد. علاوه بر این نتایج شبیه سازی گزارش می دهد که دنده قوسی شکل نامتقارن میتواند تا 28 درصد افت فشار را کاهش دهد، اما نرخ حداکثر انتقال حرارت 7/9 درصد کمتر از دنده مثلثی در رینولدز 60000 است.
برای دنده مرکب بهبود انتقال حرارت 6/3 درصد بیشتر از دنده مثلثی و کاهش افت فشار تا 18 درصد می-گردد. در مقایسه با دنده مثلثی، دنده بهینه ی ترکیبی تا حد زیادی افت فشار و همچنین انتقال خرارت را کاهش میدهد. آنها در نهایت به این نتیجه رسیدند که برای اطمینان از حداکثر بهرهوری مبدل حرارتی سطح با دنده ترکیبی می تواند افزایش انتقال حرارت و به حداقل رساندن اصطکاک - افت فشار - در سطح را نتیجه دهد.
هندسه مورد بررسی
همان گونه که در شکل 1 نشان داده شده است دراین مقاله جریان و انتقال حرارت در یک کانال ریب دار دو بعدی مورد بررسی قرار میگیرد. سرعت محوری جریان بر مبنای عدد رینولدز جریان و ارتفاع کانال در نظر گرفته شده است.
شرایط مرزی
شرایط مرزی اینگونه مسالهها به صورت زیر دسته بندی میشوند:
-1جریان خروجی و ورودی به مرز
-2دیوارها و مرزهای تکرار شونده
-3نواحی و سلولهای داخلی
-4مرزهای صفحههای داخلی
در این هندسه از شرط مرزی شار حرارتی ثابت بر روی دیواره پایینی با مقدار 20000 - w/m2 - و دمای ثابت برای دیواره بالایی و ریشه ریبها برابر 500 - k - استفاده شده است. دمای سیال ورودی نیز برابر 300 - k - فرض شده و انتقال حرارت هدایت و جابجایی نیز برای ریبها با جنس آلومینیوم لحاظ شده است. سیال ورودی به مجرا نیز آب خالص است. در رژیمهای جریان آشفته لازم است مقادیر اسکالر مربوط به پارامترهای آشفتگی در مرزهای ورودی و خروجی مشخص شود.
در اکثر جریانهای آشفته گرادیانهای پارامترهای آشفتگی در لایههای برشی بسیار بیشتر از ورودی جریان بوده و بنابراین محاسبات انجام شده نسبت به مقادیر تعریف شده پارامترهای آشفتگی در ورودی جریان حساسیت کمتری دارد. شدت آشفتگی، بصورت نسبت تغییرات سرعت آشفتگی به سرعت متوسط جریان، تعریف میشود. در شدت آشفتگی کمتر از %1 آشفتگی جریان کم و در شدت آشفتگی بیشتر از %10 آشفتگی جریان زیاد میباشد، در شبیه سازیهای عددی. بطور ایدهال، میتوان شدت آشفتگی در مرزهای ورودی را از مقادیر اندازه گیری شده در محیط، تخمین زد.
برای جریانهای داخلی، شدت آشفتگی در مرز ورودی کاملاً به تاریخچه جریان بالادست بستگی دارد. اگر جریان در بالا دست توسعه نیافته باشد، میتوان شدت آشفتگی را کم فرض کرد. اگر جریان در بالادست کاملاً توسعه یافته باشد، شدت آشفتگی چند درصد زیادتر درنظر گرفته میشود. بطور کلی شدت آشفتگی در هسته جریان کاملاً توسعه یافته در یک مجرا از روابط تجربی محاسبه میشود. از اینرو شدت آشفتگی برای جریان در کار حاضر با رینولدز 20000، برابر %5 میباشد.
معادلات حاکم
اصولا معادلات ناویر استوکس حاکم بر جریان مایعات یا گازها می تواند به خوبی توصیفگر جریان سیال باشد. حل این معادلات با روش های تحلیلی در حال حاضر ممکن نیست. بنابراین روشهای عددی برای حل این معادلات گسترش یافته است:[4] معادلات بقای جرم، مومنتوم و انرژی برای سیال تراکم ناپذیر حالت پایدار بهصورت معادلات زیر نوشته میشوند، مدل توربولانس مورد استفاده در این تحقیق مدل k- است که در این مدل تانسور-های تنش رینولدز و شارهای حرارتی با استفاده از تقریبهای لزجت گردابهای و پخش گردابهای بیان میگردند.
