جلسه دفاع پایان¬نامه کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک- گرایش تبدیل انرژی

موضوع:  مطالعه عددی سه بعدی انتقال حرارت جابجایی ترکیبی از دو استوانه متصل به کف در آرایش مجاورهم

استاد راهنما: دکتر احمد سوهانکار

استادان داور: دکتر محمدرضا توکلی نژاد - دکتر علی انصاری

چکيده

هدف از انجام این پژوهش، بررسی عددی جریان سیال و انتقال حرارت جا‌بجایی ترکیبی پایا و سه‌بعدی پیرامون دو استوانه دایره‌ای متصل به سطح با دمای ثابت در آرایش کنار هم است. در این مطالعه، اثر پارامترهای مؤثر شامل عدد رینولدز در محدوده ۴۰ تا ۱۰۰، عدد ریچاردسون در بازه صفر تا ۲، نسبت منظری ۲ تا ۴ و نسبت فاصله مرکز به مرکز دو استوانه در محدوده ۲ تا ۵ برای سیال هوا با عدد پرانتل 0.7 در دو نوع جابجایی ترکیبی کمکی و متقاطع مقایسه گردید. شبیه‌سازی‌های عددی با استفاده از روش حجم محدود در نرم‌افزار انسیس فلوئنت انجام شد. حل معادلات حاکم با حلگر فشارمبنا، الگوریتم کوپل فشار و سرعت و طرح گسسته‌سازی مرتبه دوم انجام گرفت. به‌منظور اطمینان از صحت نتایج، اثر ابعاد دامنه محاسباتی و استقلال از شبکه بررسی شد و شبکه بهینه شامل حدود 2.6 میلیون سلول برای شبیه‌سازی‌های نهایی انتخاب گردید. نتایج نشان داد افزایش فاصله دو استوانه، اثرات متقابل هیدرودینامیکی و حرارتی را تضعیف کرده و رفتار جریان را به شرایط استوانه منفرد نزدیک می‌سازد. افزایش عدد ریچاردسون در هر دو نوع جابجایی، انتقال حرارت و نیروهای وارد بر استوانه‌ها را افزایش داد، اما شدت این اثر در جابجایی متقاطع به‌مراتب بیشتر بود؛ به‌گونه‌ای که ضریب برآ (نیروی عمودی) در این رژیم تا حداکثر حدود شش برابر حالت اجباری می رسد. در مقابل، جابجایی کمکی به دلیل هم‌جهتی نیروی شناوری با جریان اصلی، شرایط پایدارتر و کنترل‌شده‌تری ایجاد می شود. بررسی عدد رینولدز نشان داد در اعداد رینولدز پایین، میدان جریان حساسیت بیشتری به نیروی شناوری دارد، زیرا کاهش اثرات اینرسی، نقش نیروهای شناوری را در تغییر ساختار جریان برجسته‌تر می‌کند. همچنین عدد ناسلت در جابجایی کمکی بین ۲۴ تا ۲۶ درصد و در جابجایی متقاطع بین ۲۰ تا ۲۸ درصد نسبت به حالت اجباری بهبود می یابد. بررسی نسبت منظری نشان داد افزایش ارتفاع استوانه‌ها یا نسبت منظری در جابجایی متقاطع باعث افزایش نیروی عمودی تا 50 درصد افزایش می‌شود. تحلیل میدان جریان سه‌بعدی نشان داد تفاوت اصلی دو نوع جابجایی ترکیبی، ناشی از نحوه تعامل جریان اصلی، میدان شناوری و گردابه‌های نوک و پشت استوانه‌ها است. در جابجایی کمکی، هم‌جهتی شناوری با جریان اجباری، ناحیه بازچرخشی را کاهش و پایداری دنباله را افزایش می‌دهد، درحالی‌که در جابجایی متقاطع، جت صعودی قوی در فضای بین دو استوانه، تقارن میدان را شکسته و شدت گردابه‌ها را تا سه برابر افزایش می‌دهد. این گردابه‌های قوی، گرادیان فشار عمودی شدیدی ایجاد کرده و دلیل اصلی افزایش چشمگیر نیروی عمودی درجابجایی متقاطع هستند. در فواصل دور نیز ستون‌های حرارتی مجدداً ادغام می‌شوند که نشان‌دهنده نقش غالب میدان شناوری عمودی است. همچنین تحلیل قانون دوم ترمودینامیک نشان داد که در تمامی شرایط بررسی‌شده، سهم اصلی تولید آنتروپی مربوط به اتلاف اصطکاکی بوده و سهم انتقال حرارت کمتر از حدود پنج درصد کل تولید آنتروپی است. همچنین، مقدار تولید آنتروپی در جابجایی کمکی کمتر از جابجایی متقاطع است که نشان‌دهنده عملکرد ترمودینامیکی بهتر این نوع جابجایی است. در مجموع، اگرچه جابجایی متقاطع توانایی بیشتری در افزایش انتقال حرارت دارد، اما به دلیل افزایش شدت گردابه‌ها، نیروهای هیدرودینامیکی و اتلاف انرژی، عملکرد ترمودینامیکی ضعیف‌تری نسبت به جابجایی کمکی ارائه می‌دهد. بنابراین، انتخاب جهت مناسب نیروی شناوری می‌تواند نقش مهمی در ایجاد تعادل میان افزایش انتقال حرارت، کنترل ساختار جریان سه‌بعدی، کاهش بارهای مکانیکی و بهبود عملکرد سامانه‌های حرارتی شامل استوانه‌های متصل به سطح داشته باشد.

کلمات کليدی:

انتقال حرارت جابجایی ترکیبی متقاطع و کمکی، شبیه سازی عددی سه بعدی، دو استوانه مجاورهم، عدد ریچاردسون، عدد رینولدز، نسبت منظری