تحقیق جریان سیال و انتقال حرارت

... دانلود ...

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.