بخشی از مقاله
چکیده:
در این پژوهش، شبیهسازی ورتکس تیوب با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی به شکل چند فازی و با لحاظ کردن جریان مغشوش انجام می گردد. برای حل میدان آشفتگی از مدل اغتشاش k-kl-w و برای بررسی رفتار فازها از مدل چند فازی اولرین - اولرین استفاده می شود. هیدرودینامیک جریانهای داخلی ورتکس تیوب در مقاطع مختلف بررسی شده و عملکرد آن در شرایط مرزی مختلف ارزیابی می گردد.
نتایج حاصل از شبیهسازی نشان داد افزایش کسر جرمی هوای سرد موجب کاهش غیرخطی دمای جریان سرد خروجی می شود. از سوی دیگر، استفاده از مدل اغتشاش سه پارامتری دقت نتایج شبیهسازی را در مقایسه با روشهای پیشین افزایش می دهد. همچنین با استفاده از رگرسیون غیرخطی یک مدل کاربردی برای پیش بینی دمای خروجیهای سرد و گرم ورتکس تیوب به صورت تابعی از فشار ورودی و کسر جرمی هوای سرد ارائه می گردد.
-1 مقدمه
ورتکس تیوب نازلی است که با ورودی هوای فشرده، دو جریان متداخل گرم و سرد در آن پدید میآید. هوای فشرده با سرعت مماسی از میانه نازل وارد میشود و بخشی از آن با دمایی بالاتر از دمای جریان ورودی از انتهای آن و بخش دیگر با دمایی پایین تر از دمای هوای ورودی از سمت مخالف خارج میشود. از طریق اصطکاک لایههای دو جریان مذکور و نیز اختلاف فشار خروجیهای دو سر نازل، جدایش حرارتی رخ میدهد و جریان غالب در محور نازل انرژی جنبشی خود را به جریان ثانویه که در اطراف جریان اصلی و با جهت جریان مخالف برقرار است منتقل میکند. در این فرایند، محتوای انرژی جریان داخلی کاهش یافته و به عنوان خروجی سرد از یک سمت خارج شده و جریان گرم حاصل از جریان بیرونی از سمت مخالف خارج میگردد.
اختلاف فشار دو جریان که در اثر مقاومت متقابل جریانهای غیرهمسو شکل میگیرد بر دمای نهایی جریانهای خروجی تأثیرگذار است .[1] کسر جرمی سرد به عنوان نسبت جرمی خروجی سرد نازل به ورودی کل، یکی از پارامترهای اصلی معرفی کننده وضعیت عملیاتی ورتکس تیوب میباشد. سرعت بالای جریان هوا درون وکسرت تیوب و همچنین ابعاد نسبتاً کوچک آن بررسی تجربی جهت شناخت فرایند داخلی را دشوار ساخته است. افزودن هر نوع سنسور قرار گرفتن آن در مسیر جریان گاز میتوان اغتشاش کاذب ایجاد نماید .[2] شبیهسازی عددی میتواند راه حل استخراج هیدرودینامیک جریانی باشد که در ورتکس تیوب برقرار است و این شبیهسازیها در مدلهای 2 و 3 بعدی قابل بررسی هستند.
هرچند شبیهسازی در دامنه محاسباتی سهبعدی هزینه محاسباتی بالاتری دارد ولی برای پیشبینی شرایط جریان پیچیده درون ورتکس تیوب تنها گزینه قابل اعتماد است. جریانهای ناهمسو و چرخشی ضمن تبادل حرارت با گرادیان بالا در مرز بین دو جریان از جمله دلایل این پیچیدگی است. در مرور کارهای دوبعدی، میتوان به پژوهش در سال 2005، الجویهل و همکاران اشاره کرد که به دلیل عدم همگن بودن نواحی داخلی ورتکس تیوب، دامنه محاسباتی را به چندین بخش با ویژگیها محاسباتی مختلف تقسیم کردند .[3]
در سال 2006، اسکای و همکاران، پژوهشی تجربی و محاسباتی را انجام دادند و شرایط مختلف فشار ورودی و خروجی را بر عملکرد ورتکس تیوب بررسی کردند .[4] پورآریا و همکاران در سال 2012، ضمن پژوهشی عددی، نتیجه گرفتند که عموماً اندازه برداری سرعت چرخشی بزرگتر از سرعت شعاعی و محوری است .[5] از جمله پژوهشهای سهبعدی نیز، پژوهش بهرا و همکاران در سال 2005 است که در آن به بررسی شرایط مختلف هندسی پرداخته است و در نهایت یک تیوب با قطر 12 میلیمتر و خروجی سرد با قطر 6 و 7 میلیمتر به ترتیب جهت حصول کمترین دمای هوای سرد و در مقابل بیشترین دمای بخش گرم به عنوان طراحی بهینه معرفی شده است .[6] لی و همکاران در سال 2013، در پژوهشی تجربی، زاویه بهینه ورودی هوای فشرده را بین 45 تا 60 درجه اعلام کردند .[7]
آزمایشهای تجربی مشابهی توسط حمدان و همکاران و نیز آوسی و همکاران انجام شده است و پارامترهای مختلف را در نازل ورتکس تیوب بررسی کردهاند .[9] [8] بووند و همکاران در سال 2014 نتیجه گرفتند که ساختار مستقیم و نیز ساختار منحنی شکل ورتکس تیوب با زاویه 150 درجه بازدهی بالاتری را نسبت به سایر زوایا دارند .[10] لیو و همکاران در سال 2012 نشان دادند که در افزایش کسر جرمی بخش سرد در ورتکس تیوب موجب افزایش شدت چرخش جریان هوا درون آن میشود و همچنین افزایش سرعت محوری موجب افزایش سرعت زاویهای میشود .[11] با وجود تعدد شبیهسازیهای سهبعدی ورتکس تیوب در پژوهشهای اخیر، همگی از مدلهای توربولانسی مرتبه اول استفاده کردهاند که بر اساس پیچیدگیهای موجود در جریانهای داخلی ورتکس تیوب برای شبیهسازی مناسب نیستند [2]، .[12] بدین لحاظ در شبیهسازی حاضر از مدل سه پارامتری برای در نظر گرفتن اغتشاش جریانهای ورتکس تیوب استفاده می گردد.
