تحقیق جریان سیال و انتقال حرارت
دانلود تحقیق مطالعه و بررسی جریان سیال و انتقال حرارت
مطالعه و بررسی جریان سیال و انتقال حرارت
فهرست مطالب
فصل اول: مقدمه 1
1-1 جدایش جریان 1
1-2 نحوه تشکیل و پخش گردابه . 7
1-3 کاربرد جریانبندها در مهندسی . 18
فصل دوم: مروری بر فعالیتهای تحقیقاتی گذشته 21
2-1 مقدمه . 21
2-2 هندسه یك سیلندری در جریان آرام . 21
2-3 هندسه یك سیلندری در جریان مغشوش 31
2-4 هندسه چند سیلندری در جریان آرام 39
2-5 هندسه چند سیلندری در جریان مغشوش 48
فصل سوم: بیان مسأله مورد نظر و معادلات حاکم بر آن 59
3-1 طرح مسأله فعلی و جایگاه آن 59
3-2 هندسه مسأله . 62
3-3 معادلات حاكم در جریان آرام 63
3-3-1 میدان جریان سیال 63
3-3-2 میدان دما و انتقال حرارت 67
3-4 معادلات حاكم در جریان مغشوش 69
3-4-1 میدان جریان سیال و دما 69
3-5 جمعبندی معادلات . 72
3-6 روش حل مسأله . 74
3-7 شرایط مرزی و نحوه اعمال آنها . 87
3-7-1 مقدمه . 87
3-7-2 شرط مرزی ورودی 87
3-7-3 شرط مرزی خروجی . 89
3-7-4 شرط مرزی دیوار . 90
3-7-5 شرط مرزی تقارن 92
فصل چهارم: نتایج جریان آرام 94
4-1 مقدمه 94
4-2 مقایسه نتایج بدست آمده برای هندسه یک سیلندری با نتایج موجود 95
4-3 مطالعه شبکه . 99
4-4 مطالعه نسبت انسداد 105
4-5 تحلیل نتایج رژیم جریان آرام . 118
4-5-1 تحلیل نتایج جریان سیال برای فاصله بین سیلندری ثابت G=5 118
4-5-2 تحلیل نتایج جریان سیال برای فواصل بین سیلندری مختلف 138
4-5-3 تحلیل نتایج انتقال حرارت و میدان دما . 147
فصل پنجم: نتایج جریان مغشوش 161
5-1 مقدمه . 161
5-2 تحلیل نتایج بدست آمده برای جریان سیال 162
5-3 تحلیل نتایج میدان دما و انتقال حرارت . 178
جمعبندی نتایج و ارائه پیشنهادات 183
پیوستها
پیوست الف: متن كامل مقاله ارائه شده در دهمین كنفرانس دینامیك شارهها 1385 . 186
پیوست ب: متن كامل مقاله پذیرفته شده جهت ارائه در كنفرانسISME2007 197
پیوست ج: استخراج معادلات حاكم بر جریان و نحوه بیبعد كردن آنها . 203
پیوست د: محاسبه مشتق اول با دقت مرتبه دوم در یك نقطه در شبكه غیر یكنواخت . 212
فهرست منابع 215
فهرست جداول
فصل اول: مقدمه 1
فصل دوم: مروری بر فعالیتهای تحقیقاتی گذشته 21
جدول 2-1 تأثیر فاصله پاییندست سیلندر در رینولدز 100 و نسبت انسداد 7% 22
جدول 2-2 مقایسه نتایج حاصل از استفاده از شرط مرزی خروجی مختلف 24
جدول 2-3 مقایسه نتایج بدست آمده برای سیلندرهایی با نسبت منظرهای متفاوت 34
فصل سوم: بیان مسأله مورد نظر و معادلات حاکم بر آن 59
جدول 3-1 مقادیر بیبعد ابعاد هندسی. 62
جدول 3-2 ترمهای مختلف معادلات بی بعد شده جاكم بر مسأله 73
فصل چهارم: نتایج جریان آرام 94
جدول 4-1 مقایسه نتایج بدست آمده از شبکهبندیهایی متفاوت در نسبت انسداد10% 100
جدول 4-2 مقایسه نتایج بدست آمده از شبکهبندیهایی متفاوت در نسبت انسداد 5% 100
جدول 4-3 مقایسه نتایج بدست آمده پارامترهای جریان در نسبت انسدادهای مختلف . 106
جدول 4-4 مقایسه نتایج بدست آمده عدد نوسلت سیلندرها در نسبت انسدادهای مختلف 107
جدول 4-5 مقادیر پارامترهای مختلف جریان در اعداد رینولدز متفاوت برای G=5 134
جدول 4-6 پارامترهای مختلف محاسبه شده جریان در فواصل بین سیلندری مختلف 143
جدول 4-7 مقادیر محاسبه شده عدد نوسلت سیلندرها در فواصل بین سیلندری مختلف . 153
فصل پنجم: نتایج جریان مغشوش 161
جدول 5-1 مقادیر عدد نوسلت وجوه مختلف سیلندرها در اعداد رینولدز متفاوت 182
==================================
مقدمه
1-1 جدایش جریان
محدوده مقادیر لزجت در سیالات مختلف بسیار وسیع است. مثلاً لزجت هوا در فشارها و درجه حرارتهای معمول، نسبتاً کوچک است. این مقدار كوچك لزجت در بعضی شرایط، نقش مهمی در توصیف رفتار جریان ایفا میکند. یکی از اثرات مهم لزجت سیالات در تشکیل لایه مرزی[1] است.
جریان سیالی که بر روی یک سطح صاف و ثابت حرکت میکند را در نظر بگیرید. به تجربه ثابت شده است که سیال در تماس با سطح به آن میچسبد (شرط عدم لغزش[2]). این پدیده باعث میشود که حرکت سیال در یک لایه نزدیک به سطح کند شود و ناحیهای به نام لایه مرزی بوجود میآید. در داخل لایه مرزی سرعت سیال از مقدار صفر در سطح به مقدار کامل خود افزایش مییابد، که معادل سرعت جریان در خارج از این لایه است. بعبارت دیگر، در لایه مرزی سرعت افقی در امتداد عمود بر سطح تغییر میكند، كه این تغییرات در نزدیكی سطح بسیار شدید است. یک نمونه از توزیع سرعت در لایه مرزی تشكیل شده بر روی سطح یك جسم در شکل 1-1 نشان داده شده است.
شکل 1-1 نمایش توزیع سرعت در لایه مرزی تشکیل شده بر روی سطح یک جسم
لایه مرزی نزدیك یك صفحه تخت در جریان موازی با زاویه صفر نسبت به امتداد جسم، بعلت اینكه فشار استاتیكی در كل میدان جریان ثابت باقی میماند، نسبتاً ساده است. از آنجا كه خارج از لایه مرزی سرعت ثابت باقی میماند و همچنین به خاطر اینكه در جریان بدون اصطكاك معادله برنولی معتبر است، فشار نیز ثابت باقی خواهد ماند. بنابراین فشار در امتداد لایه مرزی هم اندازه با فشار در خارج از لایه مرزی، ولی در فواصل مشابه است. بعلاوه در فاصله x مشخص از ابتدای صفحه، فرض میشود كه فشار در امتداد ضخامت لایه مرزی ثابت باقی میماند. این اتفاق بطور مشابه برای هر جسمی با شكل دلخواه، زمانی كه فشار خارج لایه مرزی در امتداد طول جسم تغییر كند نیز رخ میدهد. بعبارتی میتوان گفت فشار خارجی بر لایه مرزی اثر میگذارد. بنابراین برای حالتی كه جریان عبوری از یك صفحه تخت داریم، فشار در سرتاسر لایه مرزی ثابت باقی میماند.
دو اثر بسیار مهم در جریان سیال، اثرات اینرسی و لزجت است. رابطه بین این دو اثر با یکدیگر مشخص کننده نوع جریان است. این رابطه بصورت پارامتر بدون بعد Re یا عدد رینولدز که برابر با اندازه نسبت نیروهای اینرسی به لزجتی است، تعریف میشود. نسبت نیروی اینرسی به نیروی لزجت برای یك المان سیال با بعد سطح، به وسیله رابطه زیر که همان عدد رینولدز است تعریف میشود: (1-1)
بنابراین وقتی عدد رینولدز بزرگ است، اثرات اینرسی حاکم میشود و زمانی که کوچک است، اثرات لزجت قویتر است. شایان ذکر است که مفهوم عدد رینولدز در رابطه با مرزها که بر جریان اثر میگذارد، یک كمیت موضعی است، بعبارتی 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 بگونهای انتخاب میشود که نمایانگر یک بعد کلی از جسم باشد.
فصل دوم
مروری بر فعالیتهای تحقیقاتی گذشته
2-1 مقدمه
در فصل گذشته مفاهیم مقدماتی از قبیل جدایش جریان، نحوه تشکیل گردابه و پخش آن بررسی شد. در این فصل مطالعهای گذرا بر فعالیتهای تحقیقاتی آزمایشگاهی و عددی انجام شده در ارتباط با مفاهیم مورد نظر و همچنین در راستای اهداف تحقیق حاضر انجام شده است. بدین منظور در بخشهای جداگانه به مطالعه و بررسی فعالیتهای تحقیقاتی سایر محققین و ارائه دستآوردهای مهم آنها پرداخته خواهد شد. ضمناً بخشهای مختلف، بر اساس هندسه مسأله و رژیم جریان (آرام یا مغشوش بودن جریان) تقسیمبندی شده است.
2-2 هندسه یك سیلندری در جریان آرام
سوهانکار و همکاران [5] حل عددی جریان ناپایای دوبعدی حول یك سیلندر مربعی با زاویه حمله صفر در محدوده اعداد Re=45-250 را انجام دادهاند. آنها نشان دادند در اعداد رینولدز بزرگتر از 50، گردابههای نامتقارن[1] با فركانس پخش مشخصی از جسم جدا شده و در ناحیه پشت جسم پخش میشوند. آنها در تحقیق خود با استفاده از یك کد حجم محدود غیرقابلتراكم مبتنی بر الگوریتم سیمپلسی[2] و شبكه جابجا نشده، به شبیهسازی مسأله پرداخته و با بکارگیری روش کوئیک[3] مرتبه سه و روش ون لیر[4] مرتبه دو، ترم جابجایی را شبیهسازی عددی کردند. همچنین در آنجا گسستهسازی ترم زمانی بصورت ضمنی و با اعمال روش كرانك- نیكلسون انجام شده است.
از جمله مطالعات انجام شده در مرجع [5]، بررسی تأثیر محل مرز جریان ورودی، خروجی و نسبت انسداد[5] بر ویژگیهای جریان در عدد Re=100، همچنین تعیین ضرایب برآ، پسا و فشار است. تأثیر نسبت انسداد در عدد Re=100 بطور كیفی بعنوان اثر افزایش در سرعت جریان ورودی بیان شده است. در نسبت انسداد 5%، آنها مشاهده نمودند که پخش گردابه از سیلندرها در محدوده اعداد رینولدز 50 تا 55 آغاز میشود. مقدار دقیق آغاز پخش گردابه با آنالیز پایداری عددی انجام شده توسط کلکار و پاتانكار[6] [6] برابر با مقدار 53 گزارش شده است. در مرجع [5] نشان داده شده است که نتایج بدست آمده تطابق خوبی با نتایج آزمایشگاهی دارد. در همین مرجع پیشنهاداتی برای ابعاد دامنه محاسبات، توزیع شبكه، گام زمانی و ابعاد شبكه در نزدیكی جسم در Re=100 ارائه شده است. بخشی از نتایج این تحقیق در جدول 2-1 آمده است.