دانلود متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته مکانیک

گرایش : تبدیل انرژی

عنوان :  مطالعه انتقال حرارت ترکیبی جابه­ جایی-تابشی در جریان آشفته داخل مجراهایی با انبساط ناگهانی

دانشگاه شهید باهنر کرمان

دانشکده فنی و مهندسی

بخش مهندسی مکانیک

پایان نامه تحصیلی برای دریافت درجه کارشناسی ارشد رشته مهندسی مکانیک گرایش تبدیل انرژی

 مطالعه انتقال حرارت ترکیبی جابه­ جایی-تابشی در جریان آشفته داخل مجراهایی با انبساط ناگهانی

استاد راهنما:

دکتر سید عبدالرضا گنجعلیخان نسب

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

چکیده

در مطالعه حاضر، جریان آشفته با جابه‌جایی اجباری در حضور گاز تشعشعی، در ناحیه توسعه یافتگی یک کانال‌ افقی دو بعدی با پله‌ پسرونده، مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. سیال عامل همانند یک محیط خاکستری در جذب، صدور و پخش تشعشع شرکت می­ کند. جهت بدست آوردن توزیع سرعت و دما در داخل کانال، معادلات دو بعدی ناویراستوکس و انرژی همراه با معادلات مربوط به انرژی جنبشی و نرخ اتلاف انرژی هر یک از میدان­های سرعت و دما در جریان آشفته، به صورت عددی حل می‌گردند. در این راستا برای شبیه سازی جریان آشفته از مدل k-ε توسعه یافته[1] استفاده شده است. برای محاسبه جمله تشعشع در معادله انرژی، معادله انتقال تشعشع[2] به صورت عددی و با روش طول‌های مجزا[3] حل شده و توزیع شار تشعشعی داخل جریان گاز محاسبه می‌شود. فرم جداسازی شدة معادلات حاکم، توسط روش حجم محدود بدست آمده و با بهره گرفتن از الگوریتم سیمپل حل می‌شوند. نتایج حل عددی به صورت رسم نمودارهایی برای بررسی اثرات عدد تشعشع- هدایت، ضریب ‌البدو و ضخامت نوری بر روی رفتار انتقال حرارت جریان گاز ارائه شده است. همچنین سازگاری خوبی بین نتایج عددی بدست آمده از مطالعه حاضر با نتایج مطالعات قبلی برقرار است.

کلمات کلیدی: پله‌پسرو، جریان اجباری آشفته، انتقال حرارت تشعشعی، روش طول‌های مجزا

فهرست مطالب
عنوان  -بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد—-  صفحه
فصل اول: مقدمه     ………………………… 1
1-1 مقدمه     …………………………….. 2
1-2 بررسی مقالات و مطالعات انجام شده     ……….. 2
1-3 هدف از مطالعه حاضر     ………………… 5
فصل دوم: شرح مسئله و معادلات حاکم     …… 6
2-1 مقدمه     …………… 7
2-2 هندسه مسئله     …………. 7
2-3 مروری بر خواص جریان آشفته در مقایسه با جریان آرام
8
2-4 تعاریف     ………. 9
2-4-1 طول مقیاس کولموگروف     ….. 9
2-4-2 شدت آشفتگی     …………… 10
2-4-3 زمان مقیاس آشفتگی     ……….. 11
2-5 معادلات حاکم بر جریان آشفته
11
2-5-1 معادله پیوستگی در جریان آشفته
12
2-5-2 معادله مومنتوم در جریان آشفته
12
2-5-3 معادله انرژی در جریان آشفته
13
2-5-4 معادله انرژی آشفتگی در جریان آشفته
14
2-5-5 تنش برشی در جریان آشفته
15
2-6 مدل سازی جریان آشفته و مدل­های آشفتگی
16
2-7 روابط اساسی حاکم بر ویسکوزیتة گردابی
17
2-7-1 رابطة اساسی ویسکوزیتة گردابی بوزینسک
17
2-8 مدل­های ویسکوزیتة گردابی
19
2-8-1 مدل­های دو معادله­ای      19
2-8-2 مدل استاندارد k-ε      20
2-8-3 مدل توسعه یافته k-ε      22
2-9 معادلات حاکم بر مسئله
23
2-9-1 معادلات حاکم بر جریان
23
2-9-2 شرایط مرزی
26
2-9-3 معادلات تشعشعی
27
2-9-4 محاسبه گرادیان شار حرارتی تشعشعی (  )
28
2-10 معادلات بدون بعد
29
2-11 پارامترهای مورد بررسی
31
2-11-1 دمای متوسط
31
2-11-2 عدد نوسلت
31
فصل سوم: روش حل معادلات
33
3-1 مقدمه
34
3-1-1 روش اختلاف محدود
35
3-1-2 روش المان محدود
35
3-1-3 روش حجم محدود
35
3-2 شبکه محاسباتی و حجم‌های کنترلی
36
3-3 روش طول­های مجزا
38
3-3-1 معادلات طول­های مجزا
39
3-3-2 انتخاب جهت در روش طول­های مجزا
41
3-4 گسسته کردن معادلات تشعشعی با روش طولهای مجزا
41
3-5 حل معادلات جبری خطی
46
3-6 فضای شبکه
47
3-7 روش حل و برنامه کامپیوتری
47
3-8 همگرایی
48
3-9 محاسبه عدد نوسلت و دیگر پارامترها
50
فصل چهارم: بررسی نتایج      51
4-1 مقدمه
52
4-2 اعتبار سنجی نتایج
52
4-2-1 اعتبار سنجی نتایج انتقال حرارت به روش جا به ­جایی و هدایت
52
4-2-2 اعتبار سنجی نتایج انتقال حرارت به روش تشعشع و هدایت
55
4-3 ارائه نتایج
56
4-3-1 تأثیر عدد تشعشع-هدایت
56
4-3-2 تأثیر ضریب البدو
60
4-3-3 تأثیر ضخامت نوری
62
فصل پنجم: جمع بندی، نتیجه­گیری و پیشنهادات
64
5-1 جمع بندی
65
5-2 نتیجه­گیری
66
5-3 پیشنهادات
66
فهرست مراجع
67

1 مقدمه

جریان سیال با جابه‌جایی اجباری در کانال‌هایی که دارای انبساط یا انقباض ناگهانی در سطح مقطع خود هستند، به طور گسترده در کاربردهای مهندسی مشاهده می‌شود. به عنوان مثال می‌توان، از وسایل تولید توان، پخش کننده­ها، مبدل‌های حرارتی و خنک‌کاری در وسایل الکترونیکی نام برد. درجریان اجباری داخل چنین هندسه‌هایی جدایی جریان و جریان بازگشتی به دلیل تغییرات ناگهانی در هندسه جریان رخ می‌دهد. در بسیاری موارد مانند جریان گاز بر روی پره‌های توربین و یا جریان گاز ناشی از محصولات احتراق، انتقال حرارت تشعشعی نقش مهمی را ایفا می‌کند. همچنین افزایش دما در سیستم‌های صنعتی امروزی، باعث شده است که مکانیزم انتقال حرارت تشعشعی بیش از پیش مورد توجه قرار گیرد. در نتیجه برای دستیابی به نتایج دقیق‌تر، می‌بایستی جریان گاز را مانند یک محیط شرکت کننده در انتقال حرارت تشعشعی درنظر گرفت و تمام پدیده‌های انتقال حرارت شامل جابه‌جایی، هدایت و تشعشع را به طور همزمان مورد بررسی قرار داد.

یکی از هندسه‌هایی که در آن جدایی جریان اتفاق می‌افتد، کانال­هایی با پله پسرونده است. اگرچه هندسه این کانال­ها در ظاهر ساده به نظر می‌رسد، اما جریان سیال و انتقال حرارت بر روی این پله‌ها پیچیدگی‌های زیادی را شامل می‌شود. به گونه‌ای که از چنین هندسه‌هایی به عنوان هندسه معیار برای معتبرسازی نتایج استفاده می‌شود [1].

1-2 بررسی مقالات و مطالعات انجام شده

حل تمامی مسائل مربوط به جریان آرام سیال چسبنده، به حل معادلات کلی مومنتوم و انرژی برمی­گردد. متأسفانه این معادلات به صورت غیر خطی می­باشند و هیچ روش تحلیلی معینی جهت حل این معادلات وجود نداشته و حل دقیق معادلات تنها پس از برخی ساده سازی ها قابل دسترس است. به عنوان مثال یک منبع دقیق در مورد جریان داخل کانال با هندسه های مختلف توسط Schlichting [2] ارائه شده است، اما فرضیات صورت گرفته جهت ساده سازی برای حل دقیق این معادلات چندان مناسب و منطقی نیستند. بنابراین، این معادلات تنها از طریق تخمین عددی قابل حل می­باشند.

حل تخمینی معادلات مومنتوم و انرژی از دیر زمان مورد مطالعه قرار گرفته است. یک مطالعه مناسب توسط Shah و London [3] ارائه شد که در آن حل عددی مسائل مربوط به جریان سیال در هندسه­های مختلف از قبیل لوله، صفحات موازی و کانال های مستطیلی مورد بررسی قرار گرفت. روش به کار رفته برای حل عددی معادلات مومنتوم و انرژی در این مطالعه، روش اختلاف محدود بود. اگرچه این مطالعه یک منبع مناسب به شمار می رفت اما همة راه حل­ها بر این فرض استوار بود که تمام خواص سیال ثابت در نظر گرفته شوند. تعدادی از خواص سیال وابستگی بالایی به دما دارند و فرض وابستگی این خواص به دما منجر به حل دقیق­تر معادلات مومنتوم و انرژی خواهد شد. به عنوان مثال لزجت وابسته به دما تأثیرات فراوانی بر توزیع سرعت و دما خواهد داشت. بنابراین، آنالیزی کامل است که تأثیرات دما بر خواص سیال را در حل معادلات لحاظ کند.

جریان و انتقال حرارت در هندسه‌هایی مانند کانال با پله پسرو توسط محققین زیادی مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است، بطور مثال  Armalyو همکاران ]5و4[ جریانی دما ثابت را با در نظر گرفتن حالتهای آرام، گذرا و آشفته بصورت تجربی و عددی آنالیز نمودند.

از معروفترین اندازه­گیریهای انجام شده در جریانهای آشفته با جابه‌جایی اجباری در داخل کانال و در پایین دست پله­ای پسرو می­توان به بررسی­های Adams و همکاران ]6 [و همچنین  Vogelو Eaton ]7[ اشاره نمود، بطوریکه بسیاری از محققین، از جمله Abe و همکاران ]9و8[، Rhee و Sung ]10[ و Park و همکاران ]11[ پس از ارائه روش هایی نوین در حل عددی این جریان­ها، نتایج خود را با این مراجع اعتبارسنجی ­کردند.

در تمامی مطالعاتی که در بالا ذکر شد، از اثرات انتقال حرارت تشعشعی در آنالیز مسئله صرفنظر شده است. به طوریکه معادله انرژی تنها شامل ترم­های جابه‌جایی و هدایت می‌باشد. تحلیل همزمان تشعشع و جابه‌جایی اجباری داخل کانال­ها از پیچیدگی خاصی برخوردار است، بدلیل اینکه معادله انرژی برای جابه‌جایی اجباری به مسئلة تشعشع وابسته شده و بایستی به صورت همزمان حل گردند.

در هر حال، انتقال حرارت تشعشعی به همراه جریان سیال با جابه‌جایی اجباری یکی از مهمترین مسائل مورد بحث در کاربردهای مهندسی مانند خنک کاری پره­های توربین، مبدل‌های حرارتی و محفظه‌های احتراق است. زمانی که گاز جاری همانند یک محیط شرکت کننده در انتقال حرارت تشعشعی رفتار می‌کند، خواص تشعشعی آن که عبارتند از جذب، صدور و پخش، پیچیدگی‌های بسیار زیادی را در شبیه‌سازی این نوع جریان‌ها اعمال می‌کنند. Viskanta ]12[ این موضوع را به خوبی در مطالعات خود نشان داد.

در رابطه با بحث انتقال حرارت تشعشی داخل کانال­ها، تحقیقات اندکی موجود است که محدود به جریان داخل لوله و یا بین دو صفحه موازی می­شود. برای مثال، Campo و Schuler ]13[ ترکیب جابه‌جایی و تشعشع در ناحیة توسعه یافتگی حرارتی داخل لوله را با در نظر گرفتن   جریان­های آرام و آشفته مورد بررسی قرار دادند.

Azad و Modest ]14[ جریان آشفته با جابه‌جایی اجباری به همراه انتقال حرارت تشعشعی در داخل لوله‌ها را بررسی نمودند. در مطالعه آنها، گاز همانند یک محیط شرکت کننده در انتقال حرارت تشعشعی نقش داشت، به گونه‌ای که آنها اثرات جذب، صدور و پخش غیرهمگن گاز را در محاسبات مربوط مدنظر قرار دادند.

Yener و Fong ]15[ جابه‌جایی اجباری آرام در داخل لوله، با در نظر گرفتن تشعشع ولی بدون لحاظ کردن اثرات صدور سیال را مورد بررسی قرار دادند.

Bouali و Mezrhab ]16[ جریان اجباری به همراه انتقال حرارت تشعشعی در یک کانال عمودی با دیواره‌های هم‌دما را مورد مطالعه قرار دادند. آنها به این نتیجه رسیدند که تشعشع صادر شده از سطح تأثیر به­سزایی بر روی عدد نوسلت در رینولدزهای بالا دارد.

جریان آشفته با جابه‌جایی آزاد و اجباری و با درنظر گرفتن اثرات تشعشع در کانال­های عمودی به روش گردابه‌های بزرگ[1] توسط Barhaghi و Davidson ]17[ شبیه‌سازی شد. آنها در کار خود، دو حالت خاص را مورد بررسی قرار دادند که این دو حالت شامل دو مقدار مختلف برای نسبت عدد گراشف به عدد رینولدز و بر مبنای شار حرارتی دیواره‌ها و عرض کانال، می‌شد. علاوه بر این شرایط مرزی شامل شار حرارتی ثابت بر روی یک دیواره و عایق بودن سایر دیواره‌ها بوده است. همچنین از اثرات تشعشع در جهت عرضی[2] نیز صرفه‌نظر شده بود. آنها در مطالعه خود نشان دادند که تغییرات خواص، اثرات بسیار زیادی را بر روی توزیع دما می‌گذارد.

در سال 2011 انصاری و گنجعلیخان نسب ]18[ جریان توسعه یافتة آرام با جابه‌جایی اجباری در داخل یک کانال با پله شیب دار تحت شرایط دمش و مکش را با درنظر گرفتن اثرات تشعشع مطالعه کردند. در این مطالعه تأثیر پارامترهای مختلف بر روی عدد نوسلت مورد بررسی قرار گرفت.

1-3 هدف از مطالعه حاضر

گرچه تحقیقاتی در مورد رفتار حرارتی در داخل کانال­ها انجام گرفته است، اما اکثر مطالعات صورت گرفته، در مورد جریان جا به ­جایی آرام بوده است، به طوریکه آنالیز کامل حرارتی  جریان­های آشفته در داخل کانال­ها و با وجود پله­های قائم بگونه­ای که تمام مکانیزم­های انتقال حرارت در نظر گرفته شوند، انجام نشده است. از آنجایی که جریان سیال بر روی پله‌های موجود در داخل کانال‌های مستطیلی در صنعت و مهندسی کاربردهای بسیار زیادی دارد و در بسیاری از موارد جریان از نوع آشفته است، مطالعه حاضر این نوع از جریان همراه با انتقال حرارت را بررسی می‌کند. به طوریکه در محاسبات مربوط به دما تمام مکانیزم‌های انتقال حرارت که شامل هدایت، جابه‌جایی و تشعشع هستند به طور همزمان در جریان سیال مدنظر قرار گرفته‌اند.

2-1 مقدمه

هدف اصلی از این فصل تشریح کامل صورت مسئله به همراه فرضیات لازم است. سپس به نحوة استخراج معادلات حاکم به همراه شرایط مرزی لازم به منظور حل عددی پرداخته شده است، بدین ترتیب که با مروری بر خواص جریان آشفته در مقایسه با جریان آرام و با بررسی چند مدل، مدل انتخابی بکار رفته در این تحقیق ارائه می­شود. در نهایت با معرفی پارامترهای بی‌بعد، شکل بدون بعد معادلات به همراه شرایط مرزی بدست می‌آیند.

2-2 هندسه مسئله

همانطور که قبلاً نیز اشاره شد هندسه مسئلة معیار[3] به صورت یک کانال دوبعدی به همراه پله پسرونده می‌باشد که در شکل 2-1 به خوبی نمایش داده شده است. ارتفاع پله (h) و ارتفاع کانال در پایین دست جریان (H) به ترتیب 0.038 m و 0.19 m می‌باشند، به گونه‌ای که در این مسئله نسبت انبساط[4]، (ER=H/(H-h برابر 1.25 درنظر گرفته شده است. همچنین ارتفاع پله به عنوان طول مشخصه در محاسبات در نظر گرفته می­شود. طول کانال قبل از پله برابر با 0.076 m و بعد از پله برابر با 0.76 m درنظرگرفته شده است، که معادل  در حوزه محاسباتی است. همانطور که از شکل پیداست، مبدأ مختصات در گوشه پایینی پله قرار دارد و معمولاً بررسی رفتار حرارتی و سیالاتی جریان بعد از پله مورد نظر بوده است.

 
شکل 2-1 شکل مسئله

خواص هوا در مسئلة معیار جهت اعتبارسنجی در دمای ورودی  ارزیابی شده است، بطوریکه چگالی  برابر با ، ویسکوزیته مولکولی  برابر با ، گرمای ویژه  برابر با  و عدد پرانتل  برابر با  می­باشد. همچنین عدد رینولدز برابر با  بوده، که بر مبنای سرعت مرکز لوله  و ارتفاع پله بدست آمده است.

2-3 مروری بر خواص جریان آشفته در مقایسه با جریان آرام

یک جریان آشفته، به واسطة ادیهای موجود در ساختار خود از یک جریان آرام تمیز داده می­شود. ادیهای موجود در جریان آشفته باعث ایجاد نوسان[5] در میدان سرعت و دما می­شوند. شایان ذکر است که این ادیها بواسطة حرکات اتفاقی و نامنظم ذرات در یک جریان آشفته و وجود اغتشاشات که باعث یک سری جریانات جانبی در امتداد عمود بر راستای جریان اصلی می­شود، بوجود می­آیند. اندازة ساختارهای موجود در جریان آشفته مانند ادیها، می ­تواند از مقادیر نزدیک به مقیاس مولکولی تا بزرگترین طول مقیاس­های جریان باشد.

اغتشاشات دینامیکی[6] که ذات جریان آشفته می­باشد، می ­تواند باعث اختلاط و نیز تبادل شدید مومنتوم و حرارت گردد. از همینرو جریان آشفته، جریانی به شدت اضمحلالی[7]، با ضریب اصطکاک و ضریب انتقال حرارت بالا در مقایسه با جریان آرام محسوب می­شود. هر چه میزان اغتشاشات در مقیاس بزرگتری رخ دهد، اندازة تبادل مومنتوم و حرارت بزرگتر خواهد بود. بنابراین (با درنظرگرفتن افت فشار افزایش یافته در جریان آشفته)، در مسائل درگیر با انتقال حرارت، آشفته نمودن جریان به هر وسیله ممکن همواره مدنظر مهندسین می­باشد.

پروفیل سرعت جریان آشفته نسبت به جریان آرام، تخت­تر می­باشد، در نتیجه گرادیان سرعت در نزدیکی دیواره و تنش برشی ناشی از آن در جریان آشفته بیش از جریان آرام می­باشد. بواسطة کوپل بودن توزیع سرعت و دما با یکدیگر، افزایش گرادیان سرعت در نزدیکی دیواره باعث افزایش انتقال حرارت از دیواره نیز می­گردد.

همانطور که اشاره شد جریان آشفته شامل ادیهای پیچیده و در اندازه­های مختلف می­باشد. برای حل کاملاً دقیق یک میدان جریان آشفته با استفادة مستقیم از معادلات بقا، بطوریکه جزئی­ترین پدیده ­ها نیز مدنظر قرارگرفته شده باشد، لازم است از شبکة محاسباتی استفاده کنیم که اندازة المانهای آن کوچکتر از کوچکترین ادیهای موجود در جریان باشد. یعنی هریک از کوچکترین ادیها به تنهایی توسط چند المان کوچکتر گسسته گردند. بدین منظور ابتدا لازم است که اندازة کوچکترین ادیها بر حسب طول مقیاس کولموگروف[8] تعیین گردند.

تعداد صفحه :84

قیمت :14700 تومان

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.

پشتیبانی سایت :        *       asa.goharii@gmail.com

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

  *


2 دیدگاه

دیدگاه‌ها بسته است.