خلاصه پایان نامه شبیه سازی عددی تأثیرات تولید کننده گردابه بر افزایش انتقال حرارت سیالات غیر نیوتنی در کانال مربعی
پایان نامه
برای دریافت درجه کارشناسی ارشد
چکیده
دست‌یابی به نرخ‌های بالاتر انتقال حرارت با استفاده از تکنیک‌های مختلف که می‌تواند منتج به ذخیره میزان قابل توجه انرژی شده و همچنین منجر به تولید دستگاه‌های فشرده‌تر و ارزانتر همراه با بازدهی حرارتی بیشتر شود مورد توجه محققین قرار گرفته‌است. تولید گردابه یکی از بهترین روش‌هایی است که برای افزایش انتقال حرارت به‌کارگرفته می‌شود. در سالهای اخیر به علت کاربرد گسترده سیالات غیرنیوتنی در شیمی، داروسازی، پتروشیمی، صنایع غذایی و صنایع الکترونیکی، این گروه از سیالات توجه ویژه‌ای را به خود جلب کرده‌اند. با توجه به اهمیت سیالات غیرنیوتنی در صنعت، و به منظور افزایش کارایی در بالا بردن انتقال حرارت، این بررسی برای سیالات غیرنیوتنی انجام شده‌است.
در تحقیق حاضر، ابتدا ساختار جریان و انتقال حرارت از دو سیلندر مربعی پشت سرهم در معرض یک سیال غیرنیوتنی با مدل پاورلا به صورت دوبعدی، و سپس رفتار جریان و انتقال حرارت از یک جفت تولید کننده گردابه در یک کانال مربعی به صورت سه بعدی و با استفاده از روش حجم محدود و الگوریتم SIMPLEC به صورت عددی مورد مطالعه قرار گرفته است. در این تحقیق، جریان سیال غیرنیوتنی تراکم ناپذیر و آرام در محدوده اعداد رینولدز 500 Re 50 بررسی شده‌است. عدد پرانتل برابر با 50 در نظر گرفته شده‌است. همچنین تأثیر اندیس پاورلا بر رفتار جریان و انتقال حرارت در محدوده 8/1 6/0 مورد بررسی قرار گرفته است. در این تحقیق در حالت دوبعدی تأثیر زاویه انحراف سیلندرها از جریان اصلی و نیز فاصله بین سیلندرها، و در حالت سه بعدی تأثیر ارتفاع تولیدکننده‌های گردابه بر رفتار جریان و انتقال حرارت بررسی شدند. نتایج به دست آمده در حالت دو بعدی شامل ضرایب درگ و لیفت، ضریب فشار و عدد ناسلت بر روی وجوه سیلندرها می‌باشد. در حالت سه بعدی ضرایب فشار و اصطکاک روی دیواره‌های کانال، دمای بالک ( )، فاکتور کولبرن، عدد ناسلت و در نهایت پارامتر JF به عنوان ضریب عملکرد حرارتی به عنوان مقیاسی برای عملکرد کانال در حالت با و بدون تولیدکننده گردابه به دست آمد.
نتایج مسئله دوبعدی نشان داد که با افزایش اندیس پاورلا و کاهش زاویه انحراف سیلندرها و همچنین کاهش فاصله بین سیلندری عدد استروهال کاهش می‌یابد. با کاهش اندیس پاورلا و نیز با افرایش فاصله بین سیلندری عدد ناسلت کلی روی وجوه هردو سیلندر افزایش می‌یابد.
همچنین در حالت سه‌بعدی نتیجه شد که سیالات شبه پلاستیک نسبت به دیگر سیالات در افزایش ضریب عملکرد کلی کانال به طور مؤثرتری عمل می‌کنند. همچنین کاهش ارتفاع تولید کننده گردابه عملکرد کلی کانال را افزایش می‌دهد.
فصل اول
مقدمه
1-1 لایه مرزی
لایه مرزی هیدرودینامیکی ناحیه ای از جریان است که در آن، نیروهای تنش برشی، نیروهای به وجود آمده ناشی از حضور دیواره جامد می باشند یا ناحیه ای است که جریان اطراف متأثر از حضور دیواره می باشند. به عبارت دیگر، لایه مرزی هیدرودینامیکی ناحیه ای از جریان است که در آن سیال اصطکاک و درگ[1] حاصل از حضور دیواره را حس می‌نماید. در این حالت، نزدیکترین مولکولها به دیواره ( که به دیواره چسبیده‌اند) به واسطه شرط عدم لغزش، نسبت به دیوار اصلاً حرکت نمی‌کنند. با فاصله گرفتن از دیواره، رفته رفته اثر دیواره بر روی جریان آنقدر کم می‌شود که دیگر جریان حضور دیواره را حس نمی‌کند، یا به عبارت دیگر اثر دیواره بر روی لایه های دور جریان از بین می‌رود. به این ناحیه به اندازه کافی دور از دیواره و غیر متأثر از دیواره اصطلاحاً ناحیه جریان آزاد گفته می‌شود.
از نقطه نظر انتقال حرارت، لایه مرزی حرارتی (شکل1-2)، ناحیه‌ای است که در آن از نقطه نظر توزیع دما، جریان اطراف متأثر از حضور دیواره‌ای با دمای متفاوت از جریان است. تشکیل لایه مرزی حرارتی و لایه لایه شدن سیال باعث تشکیل عایق و تشکیل مقاومت در مقابل انتقال حرارت از دیواره به سیال می‌گردد. در لایه مرزی تشکیل شده در جریان های آشفته، به واسطه حرکات آشفته جریان، شکل منظم لایه‌های جریان مجاور دیواره از بین رفته و لذا لایه‌های ممانعت کننده میان دیواره و جریان آزاد به نوعی کنار رفته و انتقال حرارت بهتری در مقایسه با جریانهای آرام صورت می‌گیرد.
-2 تبدیل جریان آرام به آشفته
برای رسیدن به جریان آشفته مخصوصاً بر روی سطوح جامد و در داخل کانال‌های باز و یا لوله‌ها، ابتدا جریان بایستی از حالت آرام وارد مرحله گذر از حالت آرام به آشفته و در نهایت وارد فاز جریان آشفته گردد. گاهی اوقات نیز ممکن است به واسطه عوامل مختلف خارجی، ناحیه گذرا کوچک شده و یا حتی ناپدید گردد که در این صورت تبدیل مستقیم جریان آرام به آشفته در طول یک مسیر کوتاه را شاهد خواهیم بود. به عنوان مثال، در لایه مرزی تشکیل شده بر روی سطوح غیر هموار و یا بر روی سطوح دارای انتقال جرم از طریق سطوح و یا در جریانهای اختلاطی و یا در جریانهای مافوق صوتی که اندرکنش شوک و لایه مرزی را داریم می‌توان حالاتی را مشاهده نمود که در آنها تبدیل جریان آرام به آشفته در طی یک فاصله بسیار کوتاه را شاهد باشیم.
گذر از حالت جریان آرام به آشفته در طی فرآیندی رخ می دهد که در آن هسته‌ها و نطفه‌های محلی آشفتگی آنقدر بر روی هم انباشته می‌شوند که تمام میدان جریان را پر می‌کنند. این فرآیند را می‌توان همانند آلودگی تدریجی یک جریان عبوری از روی یک سطح آلوده درنظرگرفت که در فواصل و زمان‌های کوتاه، بخش عمده‌ای از جریان پاکیزه و تنها بخش کوچکی از آن آلوده می‌باشد، اما چنانچه به این فرآیند فرصت و مکان کافی داده شود و هیچ عامل از بین برنده آلودگی نیز وجود نداشته باشد، آنقدر آلودگی ها در جریان انباشته می‌شوند که تمام جریان آلوده گردد. به این فرآیند تدریجی انباشته شدن توده‌های محلی آشفتگی بر روی هم، فرآیند گذر از حالت جریان آرام به آشفته گفته می‌شود. برای گذر از حالت جریان آرام به آشفته، مسافت و زمان مشخصی نیاز است تا تمام جریان از هسته‌های آشفتگی اشباع گردد
چنانچه میزان آشفتگی موجود در جریان آزاد بالا برود و یا آنکه زبری سطح افزایش یابد، می‌توان انتظار داشت که گذر از حالت آرام به آشفته در مسافتی کوتاهتر و به عبارت دیگر سریعتر رخ دهد و بالعکس. میزان آشفتگی موجود در جریان آزاد را می توان به صورت نطفه‌های آشفتگی موجود در جریان آزاد درنظرگرفت که چنانچه این نطفه‌ها در فضای مساعد برای رشد و نمو قرار‌گیرند، می‌توانند باعث آشفته‌شدن جریان گردند. اینکه این نطفه ها چطور به وجود آمده‌اند و یا از کدام منبع سرچشمه گرفته‌اند، مهم نمی‌باشد. در برخی دیگر از مسائل مهندسی، اثراتی همچون اثر گریز از مرکز، اثر تغییرات چگالی، اثر جاذبه زمین و اثرات کاویتاسیون، ترکیدن حباب، واکنش‌های شیمیایی، اثرات اغتشاشی میدان‌های الکترومغناطیسی و غیره نیز می‌توانند باعث تسریع جریان در رسیدن به حالت آشفته گردند. [1]
1-3 جدایی جریان
دو اثر بسیار مهم در جریان سیالات شامل اثرات اینرسی و لزجت است. میزان تأثیر متقابل این دو اثر با تعریف عدد بدون بعد رینولدز ارزیابی می‌گردد. این عدد به صورت نسبت نیروهای اینرسی به نیروهای لزجت تعریف می‌شود: (1-1)
بزرگ بودن عدد رینولدز به معنی حاکم بودن اثرات اینرسی و کوچک بودن آن به معنای غالب بودن اثرات لزجت است. لازم به ذکر است که مفهوم عدد رینولدز در رابطه با مرزها که بر جریان اثر می‌گذارند، یک کمیت موضعی است. به عبارت دیگر انتخاب‌های مختلف طول مشخصه L در محاسبه عدد رینولدز، منجر به مقادیر مختلفی برای این پارامتر خواهد شد. بنابراین جریان بر روی یک جسم ممکن است که محدوده وسیعی از اعداد رینولدز را شامل شود که بستگی به محلی دارد که مطالعه بر روی آن انجام می‌شود. بنابراین در بحث جریانی که از روی یک جسم عبور می‌کند، معمولاً طول مشخصه L به گونه‌ای انتخاب می‌شود که نمایانگر یک بعد کلی از جسم باشد.
اصولاً لزجت تمایل به متوقف کردن حرکت سیال دارد و در صورت نبود عاملی برای ادامه جریان، حرکت سیال به دلیل وجود لزجت به مرور کاهش پیدا کرده و نهایتاً متوقف می‌شود. عامل ادامه جریان در لایه مرزی گرادیان فشار است. گرادیان فشار منفی در جهت جریان عامل تقویت جریان است و باعث افزایش ممنتوم سیال می‌گردد، در این حالت ضخامت لایه مرزی تمایل به کاهش دارد اما اگر فشار در جهت جریان افزایش یابد (گرادیان فشار معکوس) ضخامت لایه مرزی به سرعت افزایش می‌یابد. در این حالت گرادیان فشار به شکل عاملی که با جریان مخالفت می‌کند عمل نموده و باعث کاهش ممنتوم سیال می‌گردد و به تدریج باعث متوقف شدن سیال روی مرز و حتی حرکت آن در خلاف جهت جریان می‌گردد. به این پدیده جدایی جریان می‌گویند. در نقطه جدایی جریان گرادیان سرعت برابر صفر بوده و خط جریان از مرز جدا می‌شود.
1-4 روش‌های افزایش انتقال حرارت
روش‌های افزایش انتقال حرارت تک فازی ممکن است به صورت کنش‌گر[2](فعال)، کنش‌پذیر[3](غیرفعال) و ترکیبی[4] دسته‌بندی شوند. روش‌های کنش‌گر به نیروی خارجی نیاز دارند، مانند میدان‌های الکترونیکی یا آکوستیک، تجهیزات مکانیکی یا ارتعاش سطح. در مقابل روش‌های کنش‌پذیر به نیروی خارجی نیاز ندارند و از یک هندسه سطح ویژه و یا سیال افزوده برای افزایش انتقال حرارت استفاده می‌کنند. روش‌هایی که هم زمان از بیشتر از یک روش برای افزایش انتقال حرارت استفاده می‌کنند، به عنوان روش‌های ترکیبی شناخته می‌شوند.
دو دسته بندی دیگر از روش‌های افزایش انتقال حرارت نیز وجود دارند که عبارتند از: افزایش انتقال حرارت با استفاده از جریان اصلی و جریان ثانویه. در روش جریان اصلی، مشخصات اصلی جریان با تغییرات هندسی، تغییرات فشار و با روش‌های دیگر تغییر می‌کنند. در روش جریان ثانویه ساختارهای جریان محلی به طور تعمدی وارد می‌شوند. جریان اصلی می‌تواند به صورت‌های کنش‌گر یا کنش‌پذیر تغییر کند. پره‌های موجدار یا کانال‌های شیاردار نمونه‌هایی از تغییر جریان اصلی به صورت کنش‌پذیر و جریان ضربانی[5] نمونه‌ای از تغییر جریان اصلی به صورت کنش‌گر است. جریان ثانویه نیز می‌تواند به صورت کنش‌گر یا کنش‌پذیر باشد. استفاده از برآمدگی سطح یک نمونه از جریان ثانویه کنش‌پذیر و نیز استفاده از الکتروهیدرودینامیک برای تولید گردباد نمونه‌ای از جریان ثانویه کنش‌گر است. تولید گردابه برای افزایش انتقال حرارت یک نمونه از روش جریان ثانویه است. گردابه تولید شده می‌تواند به صورت‌های کنش‌گر یا کنش‌پذیر موجب افزایش انتقال حرارت شود.[2]
(تصاویر در فایل اصلی موجود است)
Abstract
Achieving higher heat transfer rates through various augmentation techniques can result in substantial energy savings, more compact and less expensive apparatus with higher thermal efficiency has been considered by researchers. Vortex generation is one of the best ways that can be used to enhance heat transfer. Duo to the extensive application of non-Newtonian fluids in chemical, pharmaceutical, petrochemical, food and electronic industries, these fluids have attracted particular attention in recent years. Considering the importance of non-Newtonian fluids in the industry, and to increase the efficiency of heat transfer enhancement, this study have been performed for non-Newtonian fluids.
In the present study, at the first for two-dimensional problem the flow structure and heat transfer of two tandem square cylinders subjected to a non-Newtonian fluid with Power-law model, and then the flow behavior and heat transfer of a pair of vortex generator in a three-dimensional square channel is numerically studied using the finite volume method and SIMPLEC algorithm. In this study, laminar and incompressible non-Newtonian fluid flow has been investigated in the range of Reynolds number . Prandtl number has been considered to 50. Also the effect of Power-law index on the flow behavior and heat transfer in the range has been studied.
In this study for two-dimensional problem the effect of inclination angle and the space between cylinders and in the case of three-dimensional problem the effect of vortex generators high on the flow behavior and heat transfer have been investigated. In two-dimensional problem the drag and lift coefficients, pressure coefficient and Nusselt number on the surfaces of cylinders were obtained. In the three-dimensional case, pressure coefficient and friction factor on the channel walls, Bulk temperature ( ), Coulbern factor, Nusselt number and the JF factor as thermal performance coefficient as a scale for channel operation were obtained in the states of with and without vortex generator.
فهرست پایان نامه شبیه سازی عددی تأثیرات تولید کننده گردابه بر افزایش انتقال حرارت سیالات غیر نیوتنی در کانال مربعی
فهرست:
فصل اول.. 1
مقدمه. 1
1-1 لایه مرزی.. 1
1-2 تبدیل جریان آرام به آشفته. 2
1-3 جدایی جریان.. 3
1-4 روش‌های افزایش انتقال حرارت... 4
1-5 گردابه. 5
1-6 ریزش گردابه. 5
1-7 تولید کننده‌های گردابه. 7
1-8 کاربردهای تولیدکننده گردابه. 8
1-9 سیالات غیر نیوتنی.. 9
1-9-1 سیال مستقل از زمان.. 10
1-9-1-1 سیالات شبه پلاستیک.... 11
1-9-1-2 سیال ویسکوپلاستیک.... 15
1-9-1-3 سیالات دایلاتنت... 18
1-9-2 سیال وابسته به زمان.. 18
1-10جمع بندی.. 19
بررسی و مرور تحقیقات گذشته. 20
2-1مقدمه. 20
2-2تحقیقات انجام شده برای سیالات نیوتنی.. 20
2-3تحقیقات انجام شده برای سیالات غیرنیوتنی.. 27
2- 4جمع بندی.. 39
فصل سوم. 40
تعریف مسئله و روش حل.. 40
3-1هندسه مسئله دو بعدی.. 40
3-2 هندسه مسئله سه بعدی.. 42
3-3 معادلات حاکم در جریان آرام. 44
3-4 روش حل معادلات... 45
3-4-1گسسته‌سازی معادلات حاکم.. 46
3-4-2جمله جابجایی.. 47
3-4-2-1طرح اختلاف مرکزی.. 48
3-4-2-2طرح اختلاف بالادست... 48
3-4-2-3طرح اختلاف پیوندی.. 49
3-4-2-4طرح اختلاف بالادست مرتبه دوم(QUICK) 50
3-4-2-5 طرح اختلاف CHARM 50
3-4-3 ترم نفوذ. 51
3-5 الگوریتم حل سرعت-فشار 51
3-6 درونیابی ری-چو. 54
3-7 گسسته سازی زمانی.. 55
3-8 روند حل عددی.. 55
3-9 شرایط مرزی.. 56
3-9-1 شرط مرزی ورودی.. 56
3-9-2شرط مرزی خروجی.. 56
3-9-3شرط مرزی دیواره 57
3-10 نحوه شبکه بندی.. 57
فصل چهارم. 60
تجزیه و تحلیل نتایج.. 60
4-1 مقدمه. 60
4-2 نتایج مسئله دوبعدی.. 60
4-2-1 بررسی شبکه. 60
4-2-2 اعتبار سنجی نتایج.. 61
4-2-3 ارائه و تحلیل نتایج.. 63
4-2-4 بررسی تأثیر فاصله بین سیلندری در افزایش انتقال حرارت و ساختار جریان.. 99
4-3 نتایج مسئله سه بعدی.. 116
4-3-1 بررسی شبکه. 117
4-3-2 ارائه و تحلیل نتایج.. 118
4-3-3 تأثیر ارتفاع تولید کننده گردابه بر ساختار جریان و انتقال حرارت... 133
4-4 جمع بندی، نتیجه گیری و پیشنهادات... 141
منابع و مآخذ. 143
منبع:
[1] صنیعی نژاد،مهدی، مقدمه ای بر جریانهای آشفته و مدلسازی آنها، ویرایش سوم،خرداد83.
[2]Jacobi.A.M,Shah.R.K,"Heat Transfer Surface Enhancement through the Use of Logitudinal Vortices:A Reviw of Recent Progress", Experimental Thermal and Fluid Science,Vol.11,pp.295-309,1995
[3] لاهوتی،محسن،مقدمه ای بر دینامیک ورتکس ها، گروه دینامیک سیالات محاسباتی دانشگاه صنعتی اصفهان،بهار88.
[4]R.Paneer Selvam, Suresh Govindaswamy,2001.A report on aeroelastic analysis of bridg grider section using computer modeling, Mack Blackwell Transportation Center.
[5] Fiebig Martin ," Embedded vortices in internal flow:heat transfer and pressure loss enhancement", International Journal of Heat and Fluid Flow,Vol.16,pp.376-378,1995.
[6]Clara Marlika Velte,”Characterization of Vortex Generator Induced Flow”, PHD thesis, Technical University of Denmark.
[7]Chhabara.R.P,J.F.Richardson," Non-newtonian flow and applied rheology", 2008. ISBN:978-07506-8532-0.
[8] A. Sohankar,C. Norberg and L. Davidson “Low-Reynolds-Number Flow Around a Square Cylinder at Incidence: Study of Blockage, Onset of Vortex Shedding and Outlet Boundary Condition”, International Journal for Numerical Methods in Fluids, Vol. 26, pp.39-56 ,1998.
[9] Said Turki, Hassen Abbassi a, Sassi Ben Nasrallah,”Two-dimensional laminar fluid flow and heat transfer in a channel with a built-in heated square cylinder”, International Journal of Thermal Sciences, Vol.42, pp.1105–1113, 2003.
[10]Sohankar.A," Heat transfer augmentation in a rectangular channel with a vee-shaped vortex generator", International Journal of Heat and Fluid Flow, 2006.
[11] Wu.J.M,Tao,W.Q," Numerical study on laminar convection heat transfer in a channel with longitudinal vortex generator. Part B: Parametric study of major influence factors",International Journal of Heat and Mass Transfer,Vol. 51,pp.3683–3692,2008.
[12] Wu Junmei , Tao Wenquan,."Numerical investigation and analysis of heat transfer enhancement in channel by longitudinal vortex based on field synergy principle", Front. Energy Power Eng. China, Vol.2(1), pp.71–78,2008.
[13]Li.Ting Tian,Ya Ling He,Wen Quan Tao," Numerical study of fluid flow and heat transfer in a flat-plate channel with longitudinal vortex generators by applying field synergy principle analysis", International Communications in Heat and Mass Transfer ,Vol.36 ,pp.111–120,2009.
[14] Chunhua Min, Chengying Qi, Xiangfei Kong, Jiangfeng Dong, "Experimental study of rectangular channel with modified rectangular longitudinal vortex generators",International Journal of Heat and Mass Transfer ,Vol.53,pp.3023–3029,2010.
[15] Ganmol.Pavin,2010,"Heat Transfer In A Two-Pass Channel With Vortex Generator",Ph.D thesis, Swanson School Of Engineering, University Of Pittsburgh,USA.
[16] Paliwala B., Sharmab Atul, Chhabraa R.P., Eswaranb V.," Power law uid ow past a square cylinder: momentum and heat transfer characteristics", Chemical Engineering Science,Vol.58,pp.5315 – 5329,2003.
[17] Nitin S., Chhabra R.P.," Non-isothermal flow of a power law fluid past a rectangular obstacle (of aspect ratio 1 * 2) in a channel: Drag and heat transfer", International Journal of Engineering Science,Vol.43,pp.707–720,2005.
[18] Dhiman A. K., Chhabara R. P. and Eswaran V.,"Steady Flow of Power-Law Fluids across a Square Cylinder", Chemical Engineering Research and Design, Vol.84,pp.300–310,2006.
[19] Dhimana A.K., Chhabra R.P., Eswaran V.," Steady flow across a confined square cylinder: Effects of power-law index and blockage ratio", J. Non-Newtonian Fluid Mech.,Vol.148,pp.141–150,2008.
[20] Dhiman Amit Kumar," Heat transfer to power-law dilatant fluids in a channel with a built-in square cylinder", International Journal of Thermal Sciences Vol.48 ,pp. 1552–1563,2009.
[21] Sahu Akhilesh K., Chhabra R. P., and Eswaran V.," Forced Convection Heat Transfer from a Heated Square Cylinder to Power Law Fluids in the Unsteady Flow Rgime", Numerical Heat Transfer, Part A, Vol.56,pp. 109–131, 2009.
[22] Bouaziz Mohamed , Kessentini Sameh , Turki Saïd," Numerical prediction of flow and heat transfer of power-law fluids in a plane channel with a built-in heated square cylinder", International Journal of Heat and Mass Transfer ,Vol.53,pp.5420–5429,2010.
[23] Koteswara Rao P., Akhilesh K. Sahu, Chhabra R.P.," Momentum and heat transfer from a square cylinder in power-law fluids", International Journal of Heat and Mass Transfer,Vol. 54,pp. 390–403,2011.
[24] P. Koteswara Rao , C. Sasmal , A.K. Sahu , R.P. Chhabra , V.Eswaran," Effect of power-law fluid behavior on momentum and heat transfer characteristics of an inclined square cylinder in steady flow regime", International Journal of Heat and Mass Transfer,Vol. 54, pp.2854–2867, 2011.
[25] Aboueian Jahromi Jaber , Hossein Nezhad Alireza, Behzadmehr Amin," Effects of inclination angle on the steady flow and heat transfer of power-law fluids around a heated inclined square cylinder in a plane channel", Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics ,Vol.166, pp.1406–1414,2011.
[26] C.M. Rhie,W. L. Chow,1983. Numerical Study of the Turbulent Flow Past an Airfoil with Trailing Edge Seperation, AIAA J., 2, 1525-1532.
[27] B. P. Leonard, 1979. A Stble and Accurate Convective Moldeling Based on Quardratic Up-stream Interpolation, Comp. Math.