مطالعه عددي سه بعدي انتفال حرارت جابجايي تركيبي ار دو استوانه متصل به كف در آرايش مجاور هم

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك

كارشناسي ارشد

هدف از انجام اين پژوهش، بررسي عددي جريان سيال و انتقال حرارت جا‌بجايي تركيبي پايا و سه‌بعدي پيرامون دو استوانه دايره‌اي متصل به سطح با دماي ثابت در آرايش كنار هم است. در اين مطالعه، اثر پارامترهاي مؤثر شامل عدد رينولدز در محدوده 40 تا 100، عدد ريچاردسون در بازه صفر تا 2، نسبت منظري 2 تا 4 و نسبت فاصله مركز به مركز دو استوانه در محدوده 2 تا 5 براي سيال هوا با عدد پرانتل 7/0 در دو نوع جابجايي تركيبي كمكي و متقاطع مقايسه گرديد. شبيه‌سازي‌هاي عددي با استفاده از روش حجم محدود در نرم‌افزار انسيس فلوئنت انجام شد. حل معادلات حاكم با حلگر فشارمبنا، الگوريتم كوپل فشار و سرعت و طرح گسسته‌سازي مرتبه دوم انجام گرفت. به‌منظور اطمينان از صحت نتايج، اثر ابعاد دامنه محاسباتي و استقلال از شبكه بررسي شد و شبكه بهينه شامل حدود 6/2 ميليون سلول براي شبيه‌سازي‌هاي نهايي انتخاب گرديد. نتايج نشان داد افزايش فاصله دو استوانه، اثرات متقابل هيدروديناميكي و حرارتي را تضعيف كرده و رفتار جريان را به شرايط استوانه منفرد نزديك مي‌سازد. افزايش عدد ريچاردسون در هر دو نوع جابجايي، انتقال حرارت و نيروهاي وارد بر استوانه‌ها را افزايش داد، اما شدت اين اثر در جابجايي متقاطع به‌مراتب بيشتر بود؛ به‌گونه‌اي كه ضريب برآ (نيروي عمودي) در اين رژيم تا حداكثر حدود شش برابر حالت اجباري مي رسد. در مقابل، جابجايي كمكي به دليل هم‌جهتي نيروي شناوري با جريان اصلي، شرايط پايدارتر و كنترل‌شده‌تري ايجاد مي شود. بررسي عدد رينولدز نشان داد در اعداد رينولدز پايين، ميدان جريان حساسيت بيشتري به نيروي شناوري دارد، زيرا كاهش اثرات اينرسي، نقش نيروهاي شناوري را در تغيير ساختار جريان برجسته‌تر مي‌كند. همچنين عدد ناسلت در جابجايي كمكي بين 24 تا 26 درصد و در جابجايي متقاطع بين 20 تا 28 درصد نسبت به حالت اجباري بهبود مي يابد. بررسي نسبت منظري نشان داد افزايش ارتفاع استوانه‌ها يا نسبت منظري در جابجايي متقاطع باعث افزايش نيروي عمودي تا 50 درصد افزايش مي‌شود. تحليل ميدان جريان سه‌بعدي نشان داد تفاوت اصلي دو نوع جابجايي تركيبي، ناشي از نحوه تعامل جريان اصلي، ميدان شناوري و گردابه‌هاي نوك و پشت استوانه‌ها است. در جابجايي كمكي، هم‌جهتي شناوري با جريان اجباري، ناحيه بازچرخشي را كاهش و پايداري دنباله را افزايش مي‌دهد، درحالي‌كه در جابجايي متقاطع، جت صعودي قوي در فضاي بين دو استوانه، تقارن ميدان را شكسته و شدت گردابه‌ها را تا سه برابر افزايش مي‌دهد. اين گردابه‌هاي قوي، گراديان فشار عمودي شديدي ايجاد كرده و دليل اصلي افزايش چشمگير نيروي عمودي درجابجايي متقاطع هستند. در فواصل دور نيز ستون‌هاي حرارتي مجدداً ادغام مي‌شوند كه نشان‌دهنده نقش غالب ميدان شناوري عمودي است. همچنين تحليل قانون دوم ترموديناميك نشان داد كه در تمامي شرايط بررسي‌شده، سهم اصلي توليد آنتروپي مربوط به اتلاف اصطكاكي بوده و سهم انتقال حرارت كمتر از حدود پنج درصد كل توليد آنتروپي است. همچنين، مقدار توليد آنتروپي در جابجايي كمكي كمتر از جابجايي متقاطع است كه نشان‌دهنده عملكرد ترموديناميكي بهتر اين نوع جابجايي است. در مجموع، اگرچه جابجايي متقاطع توانايي بيشتري در افزايش انتقال حرارت دارد، اما به دليل افزايش شدت گردابه‌ها، نيروهاي هيدروديناميكي و اتلاف انرژي، عملكرد ترموديناميكي ضعيف‌تري نسبت به جابجايي كمكي ارائه مي‌دهد. بنابراين، انتخاب جهت مناسب نيروي شناوري مي‌تواند نقش مهمي در ايجاد تعادل ميان افزايش انتقال حرارت، كنترل ساختار جريان سه‌بعدي، كاهش بارهاي مكانيكي و بهبود عملكرد سامانه‌هاي حرارتي شامل استوانه‌هاي متصل به سطح داشته باشد.

237825

تبديل انرژي

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان