بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله تجربی به بررسی اثر یک میله نصب شده در بالادست جریان بر ضریب پسای سیلندر دایروی پرداخته شده است. برای این کار از میله هایی با قطرهای مختلف، که در نسبت فواصل مختلف در بالادست سیلندر نصب گردید، استفاده شده است. عدد رینولدز جریان هوا 18900 بوده و آزمایشات در تونل باد سرعت پایین و با استفاده از جریان سنج سیم داغ انجام گرفته است.
پروفیل سرعت و اغتشاشات جریان و ضریب پسا1ی سیلندر دایروی در حالت های مختلف محاسبه و با یکدیگر مقایسه شده است. میله بالادست باعث تغییر در الگوی جریان، پروفیل سرعت و اغتشاشات و برآیند نیروهای وارد بر سیلندر اصلی شده است. مشخص شده است که به ازای تمامی نسبت قطرها، ضریب پسا تا یک مقدار مینیمم در نسبت فاصله های کوچک کاهش یافته و سپس با زیاد شدن نسبت فاصله افزایش می یابد. ضریب پسا در یک نسبت فاصله یکسان با افزایش نسبت قطر، کاهش می یابد.
مقدمه
جریان حول سیلندر با سطح مقطع دایروی ارتباط نزدیکی با ساختمان ها، خطوط انتقال نیرو، خطوط لوله در مهندسی گاز و نفت دارد . به علت کاربردهای زیاد برهم کنش بین گردابه ها و اجسام تیغه ای شکل2، جریان حول سیلندر نظر بسیاری از مهندسان و دانشمندان را به خود جلب کرده است . کاهش ضریب پسا یا در واقع کاهش برآیند نیروهای وارد بر سیلندر دایروی همواره به علت اهمیت بنیادی آن در زمینه هزینه سوخت مصرفی و مواد مورد نیاز برای وسایل نقلیه و ساختمان ها مورد مطالعه قرار گرفته است.
تا کنون روشهای زیادی در راستای کنترل جریان و کاهش نیروی پسای آیرودینامیکی حول سیلندرهای دایروی ارائه شده است. این روشها در مجموع به دو دسته تقسیم بندی می شوند. روش کنترل موثر که جریان را با استفاده از انرژی های خارجی مانند تحریک صوتی کنترل می کند. روش کنترل غیرموثر که جریان را با استفاده از اصلاح شکل جسم و یا اتصال وسایل جانبی - اضافی - مانند میله ی کنترل شده یا زبر کردن جسم کنترل می کند. سوختانلو و همکاران روشی را برای کاهش ضریب پسا حول یک سیلندر دایروی ارائه کردند. آنها با ایجاد زبری هایی روی سطح سیلندر ضریب پسا را کاهش دادند. آنها با توجه به آزمایشاتی که در تونل باد و با استفاده از دستگاه جریان سنج سیم داغ انجام دادند به این نتیجه رسیدند که زبر کردن سطح سیلندر باعث افزایش شدت اغتشاشات و افزایش پهنای دنباله می گردد. مشخص شده است که با افزایش زبری سطح، ضریب پسا کاهش می یابد.
تریوگی3 در سال 2009 به بررسی خصوصیات جریان پشت یک سیلندر استوانه پرداخت. او در قسمت بالادست این سیلندر یک میله قرار داد که دو طرف این میله دارای یک برش متقارن بود. نتایج نشان داد که این برش ها باعث کاهش نیروی پسای بیشتری روی استوانه ها نسبت به حالت بدون برش آنها دارد.
روش کنترل موثر نیازمند تجهیزات مکانیکی پیچیده برای فراهم کردن نیروی خارجی برای جریان می باشد. استفاده از یک سیلندر چرخان، ایجاد مکش یا دمش در لایه مرزی از جمله روشهای کنترل غیر موثراند. بنابراین روش کنترل غیرموثر در مقایسه با کنترل موثر، ساده تر بوده و راحت تر انجام می گیرد.
روش استفاده از میله های بالادست- به عنوان یک روش کنترل غیر موثر- که به منظور کاهش نیروی پسا در پایین دست اجسام صورت می گیرد، بر پایه دو اصل شکل می گیرد. اول، آشفتگی بالادست باعث افزایش درهمی جریان ورودی می شود و جدایش روی سیلندر دایروی را از حالت جدایش آرام به جدایش درهم تغییر می دهد. دوم، هنگامی که فاصله ی بین میله و سیلندر به اندازه کافی کوچک است، هیچگونه تولید گردابه ای پشت میله وجود ندارد. در واقع هدف از استفاده از یک میله در بالادست جریان عبوری از سیلندر به عقب انداختن نقطه جدایش جریان و تغییر در اندازه نیروی پسای اصطکاکی و فشاری و نواحی پر فشار و کم فشار است. این دو اصل باعث تغییر در اندازه نیروی برآیند و کاهش و یا افزایش نیروی پسای کل - مجموع نیروی پسای فشاری و اصطکاکی - می نقاط مختلف از یک مکانیزم دقیق استفاده شده است. دقت این گردد.مکانیزم انتقال پراب 0/01 میلیمتر است.[4]
سرعت سنج استفاده شده در این تحقیق از نوع دما ثابت - CTA - میباشد که توانایی اندازهگیری سرعت متوسط، اغتشاشات و فرکانس گردابههای خارج شونده از پشت سیلندر را دارد. به کمک دستگاه جریان سنج سیم داغ می توان سرعت لحظه ای جریان سیال را با فرکانس های بسیار بالا اندازه گیری نموده و با استفاده از سرعت لحظه ای اندازه گیری شده، سرعت متوسط، اغتشاشات جریان، تنش های رینولدز، دمای جریان، جهت حرکت جریان و دیگر مشخصات جریان را اندازه گیری نمود. اساس کار این دستگاه، انتقال حرارت از یک سیم گرم با قطر بسیار کم از جنس تنگستن، پلاتین و یا آلیاژهای آن است.
هر تغییری در شرایط جریان سیال ایجاد شود و بر روی نرخ انتقال حرارت از سیم اثر بگذارد به وسیله جریان سنج سیم داغ مشخص می شود. قابل ذکر است هنگامی که سرعت جریان سیال کاهش می یابد، حساسیت های دیگر روش های اندازه گیری نسبت به تغییرات شرایط جریان کم می گردد. این در حالی است که حساسیت دستگاه جریان سنج سیم داغ با کاهش سرعت افزایش می یابد. بنابراین بهتر است برای اندازه گیری و مطالعه جریان سیال در سرعت های پایین از دستگاه جریان سنج سیم داغ استفاده گردد.
پراب5 یک بعدی استفاده شده در این آزمایشها، دارای حسگری به طول 1/25 میلیمتر و قطر 5 میکرومتر است. برای حرکت پراب در عدد رینولدز6 در تمامی آزمایش ها ثابت و برابر 18900 در نظر گرفته شده است - سرعت جریان ورودی 10 m/s است - .
علت انتخاب چنین عدد رینولدزی در واقع ایجاد جریانی آرام و غیر طوفانی هواست تا بدین صورت از نتایج بدست آمده در این تحقیق در کاربرد های عملی و در شرایط عادی آب و هوا استفاده شود. گفتنی است که چنین تحقیقی می تواند در اعداد رینولدزهای بالاتر که مربوط به جریان های طوفانی هواست نیز صورت گیرد. شکل3 چگونگی قرار گرفتن مدل ها و ایستگاه های مختلف اندازه گیری - X/D - جریان سنج سیم داغ را در اتاقک آزمون تونل باد نشان می دهد.
بحث و بررسی نتایج
پروفیل سرعت بی بعد وقتی یک جسم جامد در یک سیال جاری قرار می گیرد، در پشت
آن دنباله تشکیل می شود. سرعت ها در دنباله کوچکتر از جریان اصلی هستند و افت سرعت دنباله به افت مومنتوم منجر می شود که ناشی از کشش روی جسم است. مقدار U/U ref برای حالات مختلف در ایستگاههای مختلف پشت مدل در نمودارهای زیر آمده است.
همچنین با افزایش نسبت فاصله به تدریج پروفیل سرعت کمی به جریان آزاد رسوخ پیدا می کند و باعث افزایش عرض پروفیل سرعت و کاهش آن در راستای محور عمودی می شود. در تمامی مدل ها، مینیمم سرعت، از دقیقا پشت مدل تا ایستگاه مابین X/D=2 و X/D=4 افزایش و سپس تا ایستگاه های آخر کاهش و دوباره شروع به افزایش می کند. این روند تغییر می تواند به علت نفوذ جت سیال و همچنین وجود سرعت بالای V در ایستگاه های ابتدایی به دلیل گردابه های کارمن تولید شده باشد که سبب کاهش سرعت در فاصله مشخصی از پشت مدل می گردد.
همانطور که در شکل ها دیده می شود با دور شدن از مدل، توزیع جریان یکنواخت تر می شود. در ایستگاه اول - دقیقا پشت مدل - ، به علت فشار کم، اختلاف فشار زیاد با جریان پتانسیل بوجود می آید و تغییرات سرعت از دنباله به جریان پتانسیل در بالا و پایین مدل شدید است. به عبارت دیگر سرعت در بالا و پایین مدل گرادیان شدیدی پیدا می کند و مقدار U/Uref از حدود 0/2تا 1/2 تغییر می کند. به تدریج با دور شدن از مدل، این گرادیان از بین می رود. این اختلاف در ایستگاه های نزدیک به مدل مشهودتر است. در ایستگاه های X/D=2 تا X/D=4 پشت مدل این اختلاف بیشترین مقدار خود را دارد و بعد از آن، به تدریج از بین می رود و سرعت ها تقریبا برابر می شوند.
با فاصله گرفتن از مدل - L/D =4 - به تدریج پروفیل سرعت یکنواخت تر شده و بصورت پیوسته تری دیده می شود و به دلیل بازیافت فشار، جریان و پروفیل به حالت تعادل نزدیک تر می شود.
برای یک تونل باد که به خوبی طراحی شده باشد، میزان اغتشاشات کمتر از 0/01 و برای جریانات داخل رودخانه و یا جریانات اتمسفری بزرگتر از 0/1 و برای جریانات بسیار آشفته نظیر جریان پشت اجسام متحرک سریع خیلی بزرگتر از 0/1 می باشد.. به علت وجود گردابه کارمن، در نواحی نزدیک به جسم، علاوه بر سرعت نوسانی u'، سرعت اغتشاشی v' نیز قابل ملاحظه می باشد و با توجه به نحوه قرارگیری حسگر جریان سنج در جهت جریان، این سرعت اغتشاشی نیز اندازه گیری می شود. با توجه به مطالب فوق، در فاصله ای که داده برداری انجام می شود، حسگر، غالبا ماکزیمم اغتشاشات را نشان می دهد. میزان شدت اغتشاشات - درصد - جریان سیال در حالت ها و مدل های مختلف در شکلهای زیر آمده است.
شکل :6 میزان شدت اغتشاشات در d/D = 0/28 و L/D = 2 در ایستگاههای ابتدایی پشت مدل
