بخشی از مقاله
خلاصه
در مقاله حاضر با استفاده از یک استراتژی نوین کنترل فعال جریان موسوم به الکتروهیدرودینامیک به کنترل جریان آشفته جدا شده هوا از روی پله پسرو پرداخته شده است . برای این منظور از یک محرک تخلیه سد دی الکتریک سطحی و نصب آن روی لبه بالایی پله در بالادست جریان استفاده گردید تا میدان الکتریکی حاصل از محرک الکتروهیدرودینامیکی، میدان جریان جدا شده هوا را تصحیح کند. برای شبیه سازی عددی اثر محرک بر جریان از مدل نیروی حجمی دو بعدی Shyy-Jayaraman و برای حل معادلات ناویر- استوکس آشفته از رهیافت RANS در حلگر حجم محدود CFX مبتنی بر الگوریتم کوپله بهره گرفته شده است . مدل فیزیکی مسأله حاضر مشابه تحقیقات تجربی Sujar-Garrido از تیم تحقیقاتی پروفسور Moreau در دانشگاه de Poitiers فرانسه انتخاب شده است تا نتایج عددی حاصل در مد تحریک دائمی با نتایج تجربی ایشان مقایسه و اعتبار سنجی شوند.
پروفیل های سرعت میانگین و انرژی جنبشی آشفتگی حاصل از اعتبار مناسبی نسبت به پروفیل های تجربی معیار برخوردار هستند. نتایج کسب شده حاکی از عقب رفتن نقطه بازپیوست جریان جدا شده هوا و کاهش طول ناحیه جداشدگی جریان با فعال کردن محرک DBD می باشند طوریکه با اعمال ولتاژ AC ثابت 20 کیلو ولت به الکترود تزریق کننده محرک در فرکانس کاری 3000 هرتز، در صورت استفاده از دی الکتریک از ماتریالی با ضریب اتلاف توان کمتر مانند تفلون می توان به سرعت جریان القایی بیشتری دست یافت؛ در نتیجه میزان کاهش جداشدگی جریان هوا بیشتر خواهد بود . همچنین در صورت استفاده از سد دی الکتریک نازک تر و سبک تر در همان ولتاژ اعمالی و فرکانس کاری، شاهد کاهش بیشتر طول ناحیه جداشدگی جریان هوا خواهیم بود.
کلمات کلیدی: الکتروهیدرودینامیک، نقطه بازپیوست جریان، نفوذ پذیری نسبی الکتریکی، محرک پلاسمایی، مد تحریک دائمی، کنترل فعال جریان، مقاومت/ولتاژ شکست سد دی الکتریک، اتلاف توان دی الکتریک، تخلیه سد دی الکتریک.
-1 مقدمه
-1-1 جدایش لایه مرزی جریان
جدایش جریان و جریان بازگشتی به دلیل تغییرات ناگهانی در هندسه جریان در بسیاری از کاربردهای مهندسی رخ می دهد و میزان زیادی از جریان سیال کم انرژی و پر انرژی در ناحیه بازگشتی با همدیگر آمیخته می شوند. برای مثال می توان به وسایل تولید توان، دیفیوزرها، خنک کاری پره های توربین و وسایل الکترونیکی اشاره کرد. در چنین هندسه هایی اندازه ناحیه جریان بازگشتی، مشخص کننده ویژگی های کلی انتقال حرارت و دینامیک جریان سیال خواهد بود. زیرا میزان انتقال مومنتوم و انتقال حرارت در داخل ناحیه بازگشتی، تغییرات بسیار زیادی را دارد. در تحقیق حاضر به مطالعه تأثیر محرک تخلیه سد دی الکتریک سطحی* و میدان الکتریکی حاصل از آن بر کنترل فعال جدایش جریان هوا روی پله قائم پسرو پرداخته شده است.
این نوع از شکل گیری جریان را پدیده wall-wake می نامند. نمونه هایی رایج از جریان wall-wake بر اثر موانع راست گوشه - لبه تیز - در جریان بر روی سطح تخت در "شکل "1 نشان داده شده است : [1]هنگام عبور یک سیال از روی یک جسمصُلب، در اثر نیروهای ویسکوز در نزدیکی سطح آن جسم، لایه نازکی از سیال - لایه مرزی - تشکیل می شود که سرعت این لایه نازک از صفر تا حداکثر مقدار آن در جریان آزاد تغییر می کند . با توجه به مقدار عدد رینولدز جریان، لایه مرزی می تواند آرام یا آشفته باشد. زمانی که لایه مرزی سیال، سطح جسمی را که از روی آن عبور می کند ترک می کند، جدایش لایه مرزی اتفاق می افتد.
یکی از علل عمده این جدایش، وجود گرادیان فشار معکوس است . زمانی که تکانه - مومنتوم - سیال در لایه مرزی به نقطه صفر کاهش می یابد، آن وقت لایه مرزی از سطح جدا می شود. این پدیده عمدتاً نامطلوب بوده و باعث تلفات انرژی، کاهش نیروی برآ و پایین آمدن کارایی سامانه می شود که می تواند در نهایت منجر به واماندگی آیرودینامیکی شود. بدین ترتیب راهبردهای کنترل جریان سیال بر تصحیح مکان جدایش لایه مرزی و کاهش اثرات مخرب این پدیده تمرکز دارد. برای مثال جریان هوای برخوردی با یک خودروی متحرک در بخش های مختلف دچار جدایش می شود که جزئیات آن در "شکل "2 نشان داده شده است .[2]
مطابق "شکل "3 با عبور جریان از روی پله پسرو و تغییر ناگهانی فشار، بخش اعظمی از خطوط جریان مسیر عبوری خود را تغییر می دهند و به سمت دیواره کف کشیده می شوند. جدایش جریان باعث ایجاد یک جریان برگشتی در پشت پله می گردد و سپس به دلیل جریان پایین روی قوی که در آنجا ایجاد شده، با کف در نقطه ای به نام نقطه بازپیوست** - دارای بیشترین فشار - تماس پیدا می کند و یک ناحیه چرخشی را در پشت پله ایجاد می کند که این ناحیه به وسیله یک لایه برشی آزاد احاطه شده است؛این ناحیه را اصطلاحاً ناحیه دنباله نزدیک می نامند و پس از آن ناحیه دیگری موسوم به ناحیه دنباله دور*وجود دارد که مستقیماً تحت تأثیر پله نمی باشد بلکه در این ناحیه، جریان آشفته ایجاد شده در قسمت بیرونی در برگیرنده مشخصه های یک دنباله بوده و در قسمت داخلی تحت تأثیر دیواره قرار می گیرد.
جریان جدا شده از روی پله قائم پسرو مطابق "شکل "3 شامل شش ناحیه متمایز است : -1 ناحیه اول، ناحیه قبل از نقطه جدایش که شامل یک جریان توسعه یافته حول صفحه تخت با لایه مرزی استاندارد آرام یا آشفته می باشد. -2 ناحیه دوم، اولین ناحیه پس از نقطه جدایش که عملکرد آن از نظر دینامیکی شبیه جت صفحه ای است. -3 ناحیه سوم، یک ناحیه چرخشی شامل چرخش جریان در جهت ساعتگرد بوده که متأثر از لایه برشی جدا شده از مرحله قبل و تحت تأثیر دیواره کف می باشد.
-4 ناحیه چهارم، ناحیه کوچکی در پشت پله نزدیک دیواره پله متشکل از حباب های جدایش با چرخش پاد ساعتگرد بوده که بازگشت جریان جدا شده را نشان می دهد. -5 ناحیه پنجم، ناحیه بازپیوست نام داشته و محدوده برخورد لایه برشی جدا شده با دیواره کف را شامل می شود. فاصله نقطه بازپیوست تا لبه پله را طول جداشدگی یا فاصله بازپیوست می نامند. مقدار این طول بستگی به رژیم جریان - عدد رینولدز - و ارتفاع پله دارد. -6 ناحیه آخر، شکل گیری یک لایه مرزی جدید بعد از نقطه بازپیوست را نشان می دهد که برعکس لایه مرزی اولیه دیگرمستقیماً تحت تأثیر پله نمی باشد .[2]
