جلسه دفاع پایان نامه رساله دکتری (آقای علیرضا صالحی)
موضوع: شبیه سازی و تحلیل عددی فرآیند جوشش هسته ای به روش ردیابی جبهه
ارائه دهنده: علیرضا صالحی
استادان راهنما: دکتر سید سعید مرتضوی
استادان مشاور: دکتر محمد رضا سلیم پور
استادان داور: دکتر ابراهیم شیرانی، دکتر احمدرضا پیشه ور، دکتر محمد پسندیده فرد
چکيده:
بدليل توانايي بالاي سيالات در ذخيره سازي و تبادل مقدار زيادي از انرژي به هنگام تغيير فاز، جوشش و چگالش از فرآيند‌هاي کليدي هستند که در زندگي روزمره، صنايع مختلف و به صورت فراگيري در تجهيزاتي چون مبدل‌هاي گرمايي و تبخيرکننده ها بکارگرفته مي شوند. بدليل حضور اثرات ناشي از نيروي شناوري و گرماي نهان تبخير سيال، معمولا نرخ انتقال‌حرارت جوششي خيلي بيشتر از نرخ انتقال حرارت جابه‌جايي آزاد و اجباري بدون تغيير فاز است. فرآيند جوشش رژيم‌هاي مختلفي دارد که يکي از پرکاربردترين آن ها جوشش استخري است. جوشش استخري نيز انواع مختلفي دارد که مهمترين آن ها از نوع هسته اي و فيلمي است.
هدف از انجام پژوهش حاضر توسعه کد عددي مبتني بر روش رديابي جبهه با رویکرد شبيه سازي مستقيم دو بعدي و سه بعدي فرآيند جوشش استخري است. در گام هاي بعدي نيز سعي شد تا پس از صحت سنجي کدعددي توسعه داده شده از جنبه هاي مختلف، مجموعه شبيه سازي‌هايي به منظور شناخت بهتر پديده جوشش استخري، در حالات مختلف جوشش فيلمي و هسته‌اي انجام شود. همچنين به منظور نوآوري هر چه بيشتر پژوهش حاضر، براي نخستين بار اثرات مربوط به حضور سورفاکتانت به عنوان يک ماده محلول در داخل سيال پايه و موثر بر تغييرات محلي نيروي کشش سطحي بين فاز بخار و مايع به کد عددي توسعه يافته در حالت دو بعدي اضافه شد.
ارزيابي عملکرد پديده جوشش استخري در اين پژوهش از طريق محاسبه عدد ناسلت در فرآيند مذکور و شناسايي ساير پارامترهاي بي‌بعد موثر بر نحوه اثرگذاري آن‌ها با و بدون در نظرگرفتن سورفاکتانت است. شبيه سازي‌ها به صورت جريان آرام، ناپايا، دوفازي- دو جزئي، همراه با تغيير فاز و همچنين در صورت وجود سورفاکتانت در سيال پايه، همراه معادلات کامل انتقال جرم جزء اضافه شده (سورفاکتانت) بين سيال و سطح مشترک به روش عددي رديابي جبهه انجام شده است. مطابق با الگوريتم انتخابي در هرگام زماني، معادلات اساسي جريان سيال نيوتوني، معادلات انتقال جرم مربوط به توده سيال و روي سطح مشترک همزمان با معادله انرژي و به صورت کاملا همبسته در حضور فازهاي مختلف حل شده و موقعيت جديد سطح مشترک براساس ميان يابي‌هاي مورد استفاده در اين روش مشخص مي‌شوند. سپس در هر گام زماني نتايج مورد نياز و از جمله شارحرارتي ديواره گرمکن در قالب عدد ناسلت محلي و متوسط زماني محاسبه و گزارش مي‌شود.
مدل سازي و تحليل سيکل‌هاي کامل و متوالي جوشش فيلمي و هسته‌اي دو و سه بعدي با و بدون در نظر گرفتن سورفاکتانت به عنوان عامل خارجي افزايش دهنده نرخ انتقال حرارت، بررسي پارامترهاي بي‌بعد مختلف، در نظرگرفتن تاثيرات مربوط به چگالي و قطر نقاط هسته زايي، بررسي پديده جوشش هسته اي داراي چند حباب و شبيه سازي اندرکنش ميان نقاط هسته زايي مجاور هم به خصوص در حالت سه بعدي، به کارگيري روشي جديد به منظور اعمال تغييرات توپولوژيکي مورد نياز سطح مشترک ضمن حل مسئله متناسب با فيزيک جريان، چکيده مهمترين نوآوري هاي مربوط به پژوهش حاضر است. از جمله مهمترين نتايج بدست آمده در این پژوهش، تحليل و مقايسه اثرات مربوط به سورفاکتانت بر بهبود ميزان انتقال حرارت در فرآيند جوشش استخري است. نتايج بدست آمده تاييد کننده تاثير قابل توجه سورفاکتانت بر الگوي رشد و جدايش حباب ا و همچنين افزايش نرخ انتقال حرارت در مقايسه با سيال فاقد سورفاکتانت است. همچنين مشخص شد که همواره يک ميزان بهينه اي براي ترکيب سورفاکتانت و سيال پايه انتخابي وجود دارد که در آن نرخ انتقال حرارت متوسط صورت گرفته در بازه زماني معين، بيشينه خواهد شد.
جهت مطالعه فرآیند جوشش هسته ای استخری، شرایط مختلف دو بعدی با تک نقطه هسته زا و همین طور شرایط سه بعدی با در نظر گرفتن یک یا چند نقطه هسته زا مورد بررسی قرار گرفت. به منظور داشتن درک فیزیکی بهتر از نحوه اثرگذاری هر کدام از پارامترها، روش مطالعاتی جدیدی ضمن این پژوهش ارایه شد که صرفا به صورت اختصاصی به مطالعه هر کدام از پارامترهای موثر به صورت مستقل پرداخته میشود. بدین منظور تاثیر پارامترهای اصلی در فرآیند جوشش هسته ای استخری، از جمله عدد گراشف در بازه 17 تا 300، عدد پرانتل، در بازه 2/8 تا 8/6 و همین طور عدد ژاکوب در بازه 0/017 تا 0/050 مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج بدست آمده گویای تاثیرگذاری مستقیم هر کدام از پارامترهای مذکور روی الگوی رشد و جدایش حباب ها، شامل اندازه حباب پس از جدایش و همین طور فرکانس صعود حبابها به سمت بالا است. تاثیرگذاری ترکیبی این دو پارامتر مهم به صورت عدد ناسلت متوسط زمانی در هر مورد محاسبه و گزارش شده است.
نتایج بدست آمده به منظور صحت سنجی با نتایج حاصل از پژوهش های تجربی و روابط تحلیلی مورد مقایسه قرار گرفتند. نتیجه مقایسات تایید کننده دقت مطلوب کد عددی توسعه یافته است.