بخشی از مقاله
چکیده
حل مسئله جریان آشفته در طول ورودی از نقطه نظر طراحی برخی از سیستمهای مهندسی حائز اهمیت است. در تحقیق حاضر اثرات زبری سطح لوله در ناحیه ورودی در چهار زبری مختلف که به ترتیب 0، 0/015، 0/045 و 0/08 میلیمتر در عدد رینولدز 6000که جریان کاملاً در لوله مغشوش بوده بررسی شده است و تغییرات ضریب اصطکاک، عدد ناسلت، طول ناحیه توسعه نیافته و همچنین سرعت در خط مرکزی مورد بررسی قرار گرفت. در جریان درهم پس از طی طول توسعه یافته که وابسته به قطر و رینولدز است، سرعت محوری به یک مقدار ثابت میرسد. با افزایش زبری جریان سریعتر توسعه پیدا میکند و رژیم جریان درون لوله زودتر مغشوش شده و یکنواختی بهتری پیدا خواهد کرد.
با افزایش زبری اغتشاش جریان بیشتر شده و میزان انتقال حرارت و تنش بیشتر خواهد شد با افزایش ارتفاع زبری، ضریب اصطکاک پوستهای افزایش پیدا کرده است. در ابتدای لوله با افزایش ارتفاع زبری، ضریب اصطکاک پوستهای افزایش پیدا کرده است با کاهش زبری طول توسعه نیافته افزایش پیدا میکند و سرعت انتقال گرما به علت کاهش عدد ناسلت از دیواره کاهش مییابد همچنین در ابتدای ورودی لوله زبری تأثیر قابل توجهی بر روی انتقال گرما نسبت به انتهای لوله ندارد و تقریباً بی تأثیر است.
-1 مقدمه
با توجه به توسعه استفاده از کانالهای مدور در برخی از سیستمهای مهندسی از قبیل تونل بادها، مبدلهای حرارتی، فینهای حرارتی با استفاده از انتقال حرارت آزاد و چیپهای کامپیوتری شناخت هرچه بیشتر و جامعتر عوامل و پارامترهای مؤثر بر تحلیل جریان آشفته در این لولهها به وضوح احساس میشود. تحقیقات مختلفی برای تجهیزات فوق الذکر در ناحیه توسعه یافته انجام شده است و روابط تئوری و تجربی زیادی برای این ناحیه توسعه و انتشار یافته است. به دلیل پیچیدگی الگوی جریان در ناحیه غیر توسعه یافته، کمتر به این موضوع پرداخته شده است. لذا بررسی اثر پارامترهای مختلف و بررسی الگوی جریان در ناحیه غیر توسعه یافته ضروری بهنظر میرسد. لذا با افزایش قدرت سیستمهای محاسباتی و نرم افزارهای شبیهسازی دینامیک سیالات محاسباتی این امر محقق شده است.
از این رو در ادامه تحقیقات انجام شده که به جنبههای مختلف از جمله جریان، شرایط مرزی اعمال شده، قطر و شرایط ورودی لولهها پرداخته شده است، لازم دیده میشود که به میزان زبری لولهها و تأثیر آن بر شرایط ورودی لوله پرداخته شود و ارتفاع مختلف شیارهای زبری سطوح مورد بررسی قرار گیرد. از جمله متغیرهایی که در طی این تحقیق به آنها پرداخته خواهد شد میتوان اثر آشفتگی را بر پروفیلهای سرعت، ضریب اصطکاک، عدد ناسلت را نام برد . الدی و همکاران - 2014 - 1 به شبیهسازی CFD، اثر رسوب بر روی کمپرسورهای محوری پرداختند و مدل عددی را با دادههای تجربی اعتبار سنجی کردند. به شبیهسازی وقوع رسوب با ترکیبهای مختلف ضخامت و زبری سطحی با تخمین بهترین عملکرد پرداختند. که اثر اصلی این دو عامل باعث کاهش دبی جریان شد
الم و همکاران - 2016 - 2 مقاله مروری را در ارتباط با اثر ایجاد زبری مصنوعی بر انتقال حرارت صفحات جاذب خورشیدی نگاشتند. این ایجاد زبری باعث افزایش ضریب اصطکاک و انتقال حرارت میشود. طراحی شکل و هندسه زبری، محل نقاط زبری و الگوهای ایجاد زبری اثر زیادی بر روی زبری سطح دارد. در این مطالعه همچنین عدد ناسلت و ضریب اصطکاک برای زبریهای مختلف گردآوری و جمع بندی شده است
ساسان و همکاران - 2017 - به صورت عددی به شبیهسازی اثر زبری در کانالهای آشفته و لوله در رینولدز پایین پرداختند. نتایج کلی تحقیقاتشان نشان داد که زبری اثرات مشابهی بر روی رفتار سیال دارد و باعث تغییر در تابع زبری مرز، سرعت نزدیک به دیواره سیال و دانسیته انرژی سیال در کانال و لوله میشود. همچنین نتایج آنها نشان داد که با افزایش زبری نیروی درگ در کانال کاهش مییابد ولی در لوله نیروی درگ افزایش مییابد
فیوجاسا و همکاران - 2017 - 3 به بررسی پارامترهای انتقال جرم در یک زبری معین و تناوبی در یک لوله مدور در پایین دست جریان پرداختند. نتایج آنها نشان داد که انتقال جرم در لوله زبر به نسبت لوله صاف بهبود پیدا میکند. و همچنین پارامترهای انتقال جرم با افزایش پارامترهای زبری نظیر ارتفاع زبری، افزایش پیدا میکند
-1-1 روش حل
در اینجا هدف مسئله شبیهسازی جریان درهم در لوله در ناحیه در حال توسعه و بررسی نقش زبری بر عدد ناسلت و ضریب اصطکاک پوستهای است.
در حل عددی به تأثیر رینولدز و زبری بر نتایج پرداخته شده است. زبریهای در نظر گرفته شده برای سطح لوله
به ترتیب 0، 0/015، 0/045 و 0/08 میلیمتر و اعداد رینولدز جریان نیز به ترتیب 6000 و 8000 و 12000 میباشند.
در این مسئله مطابق شکل 1 طول لوله را 0/2 متر و قطر آن 0/01 متر در نظر گرفته شده است. همچنین در این مسئله دمای سیال ورودی را 300 کلوین و شار حرارتی 1000 وات بر متر مربع در نظر میباشد. در نرم افزار شبیهساز فلوئنت میتوان با تعریف کردن چند پارامتر اثر زبری را مشاهده کرد. ارتفاع زبری با نماد در فلوئنت تعریف میشود و بیانگر میانگین ارتفاعهای زبری ایجاد شده در سطح است همچنین در فلوئنت ضریب ثابتی به عنوان ثابت زبری تعریف میشود که بیانگر شکل و همگنی زبری است که با نشان داده میشود. بنابراین با این دو پارامتر میتوان انواع زبری و شکل زبری را مشابهسازی کرد.
شکل -1حالت سه بعدی لوله
در این مقاله با توجه به لولههای متداولی که در صنعت استفاده شده است ابتدا ضریب مطلق نسبی این لولهها را از منابع استخراج کرده و سپس با وارد کردن مقادیر زبری مختلف در شبیهسازی تأثیر آنها بر روی پروفایلهای سرعت، ضریب اصطکاک و عدد ناسلت در ناحیه ورودی لوله بررسی خواهد شد.
همانطور که بیان شد دو پارامتر مهمی که برای زبری در فلوئنت نظر گرفته میشود Cs و Ks است که Ks به عنوان زبری مطلق که نمایانگر ارتفاع زبری به نوعی است شناخته می شود و Cs ثابت زبری است که به شکل زبری وابسته است در جدول 1 انواع زبری م00ختلف در نظر گرفته شده به نمایش در آمده است.
جدول -1 اثر زبری مطلق
-2-1 قابلیتهای عمومی مدل ویلکوکس −
در جریانهای آشفته هموژن، اختلاف اندکی مابین نتایج بدست آمده از مدلهای − و − مشاهده میشود. بر خلاف این حقیقت که اندازه ω بر روی مرز جامد، تکین میباشد، اما شواهد متعددی در دست است که نشانگر قدرت بالای مدل − در هنگام انتگرال گیری از معادلات به سمت دیواره میباشد.
