جستجو در سایت :   

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 گردد

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود می باشد)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

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

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 می باشد. سیال عامل همانند یک محیط خاکستری در جذب، صدور و پخش تشعشع شرکت می­کند. 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] بهره گیری شده می باشد. 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 می گردد. فرم جداسازی شده معادلات حاکم، توسط روش حجم محدود بدست آمده و با بهره گیری از الگوریتم سیمپل حل می شوند. نتایج حل عددی به صورت رسم نمودارهایی برای مطالعه اثرات عدد تشعشع- هدایت، ضریب ‌البدو و ضخامت نوری بر روی رفتار انتقال حرارت جریان گاز ارائه شده می باشد. همچنین سازگاری خوبی بین نتایج عددی بدست آمده از مطالعه حاضر با نتایج مطالعات قبلی مستقر می باشد.

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 مطالعه مقالات و مطالعات انجام شده     ……….. 2
1-3 هدف از مطالعه حاضر     ………………… 5
فصل دوم: تبیین 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 ویسکوزیته گردابی
17
2-7-1 ارتباط اساسی ویسکوزیته گردابی بوزینسک
17
2-8 مدل­های ویسکوزیته 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 مطالعه
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: مطالعه نتایج      51
4-1 مقدمه
52
4-2 اعتبار سنجی نتایج
52
4-2-1 اعتبار سنجی نتایج انتقال حرارت به روش جابه­جایی 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 گونه گسترده در کاربردهای مهندسی نظاره می گردد. 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 موردها مانند جریان گاز بر روی پره‌های توربین و یا جریان گاز ناشی از محصولات احتراق، انتقال حرارت تشعشعی تأثیر مهمی را اعمال می کند. همچنین افزایش دما در سیستم‌های صنعتی امروزی، باعث شده می باشد 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 گونه همزمان مورد مطالعه قرار داد.

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

1-2 مطالعه 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 بعضی ساده سازی ها قابل دسترس می باشد. به عنوان مثال یک منبع دقیق در مورد جریان داخل کانال با هندسه های مختلف توسط Schlichting [2] ارائه شده می باشد، اما فرضیات صورت گرفته جهت ساده سازی برای حل دقیق این معادلات چندان مناسب و منطقی نیستند. پس، این معادلات تنها از طریق تخمین عددی قابل حل می­باشند.

حل تخمینی معادلات مومنتوم و انرژی از دیر زمان مورد مطالعه قرار گرفته می باشد. یک مطالعه مناسب توسط Shah و London [3] ارائه گردید که در آن حل عددی مسائل مربوط به جریان سیال در هندسه­های مختلف از قبیل لوله، صفحات موازی و کانال های مستطیلی مورد مطالعه 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 همه 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 گردید. به عنوان مثال لزجت وابسته به دما تأثیرات فراوانی بر توزیع سرعت و دما خواهد داشت. پس، آنالیزی کامل می باشد 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 مطالعه قرار گرفته می باشد، بطور مثال  Armalyو همکاران ]5و4[ جریانی دما ثابت را با در نظر گرفتن حالتهای آرام، گذرا و آشفته بصورت تجربی و عددی واکاوی نمودند.

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

در تمامی مطالعاتی که در بالا ذکر گردید، از اثرات انتقال حرارت تشعشعی در واکاوی مسئله صرفنظر شده می باشد. به طوریکه معادله انرژی تنها شامل ترم­های جابه‌جایی و هدایت می‌باشد. تحلیل همزمان تشعشع و جابه‌جایی اجباری داخل کانال­ها از پیچیدگی خاصی برخوردار می باشد، بدلیل اینکه معادله انرژی برای جابه‌جایی اجباری به مسئله 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 می باشد. زمانی که گاز جاری همانند یک محیط شرکت کننده در انتقال حرارت تشعشعی رفتار می کند، 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 ارتباط با بحث انتقال حرارت تشعشی داخل کانال­ها، تحقیقات اندکی موجود می باشد که محدود به جریان داخل لوله و یا بین دو صفحه موازی می­گردد. برای مثال، Campo و Schuler ]13[ ترکیب جابه‌جایی و تشعشع در ناحیه توسعه یافتگی حرارتی داخل لوله را با در نظر گرفتن   جریان­های آرام و آشفته مورد مطالعه قرار دادند.

Azad و Modest ]14[ جریان آشفته با جابه‌جایی اجباری به همراه انتقال حرارت تشعشعی در داخل لوله‌ها را مطالعه نمودند. در مطالعه آنها، گاز همانند یک محیط شرکت کننده در انتقال حرارت تشعشعی تأثیر 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 اما بدون لحاظ کردن اثرات صدور سیال را مورد مطالعه 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 گردید. آنها در کار خود، دو حالت خاص را مورد مطالعه 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، می‌گردید. به علاوه شرایط مرزی شامل شار حرارتی ثابت بر روی یک دیواره و عایق بودن سایر دیواره‌ها بوده می باشد. 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 یافته 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 مطالعه قرار گرفت.

1-3 هدف از مطالعه حاضر

گرچه تحقیقاتی در مورد رفتار حرارتی در داخل کانال­ها انجام گرفته می باشد، اما اکثر مطالعات صورت گرفته، در مورد جریان جابه­جایی آرام بوده می باشد، به طوریکه واکاوی کامل حرارتی  جریان­های آشفته در داخل کانال­ها و با وجود پله­های قائم بگونه­ای که تمام مکانیزم­های انتقال حرارت در نظر گرفته شوند، انجام نشده می باشد. 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 موردها جریان از نوع آشفته می باشد، مطالعه حاضر این نوع از جریان همراه با انتقال حرارت را مطالعه می کند. به طوریکه در محاسبات مربوط به دما تمام مکانیزم‌های انتقال حرارت که شامل هدایت، جابه‌جایی و تشعشع هستند به گونه همزمان در جریان سیال مدنظر قرار گرفته‌اند.

2-1 مقدمه

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

2-2 هندسه مسئله

همانطور که قبلاً نیز تصریح گردید هندسه مسئله معیار[3] به صورت یک کانال دوبعدی به همراه پله پسرونده می‌باشد که در شکل 2-1 به خوبی نمایش داده شده می باشد. 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 می باشد. همچنین ارتفاع پله به عنوان طول مشخصه در محاسبات در نظر گرفته می­گردد. طول کانال قبل از پله برابر با 0.076 m و بعد از پله برابر با 0.76 m درنظرگرفته شده می باشد، که معادل  در حوزه محاسباتی می باشد. همانطور که از شکل پیداست، مبدأ مختصات در گوشه پایینی پله قرار دارد و معمولاً مطالعه رفتار حرارتی و سیالاتی جریان بعد از پله مورد نظر بوده می باشد.

 
شکل 2-1 شکل مسئله

خواص هوا در مسئله معیار جهت اعتبارسنجی در دمای ورودی  ارزیابی شده می باشد، 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 می باشد.

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

یک جریان آشفته، به واسطه ادیهای موجود در ساختار خود از یک جریان آرام تمیز داده می­گردد. ادیهای موجود در جریان آشفته باعث ایجاد نوسان[5] در میدان سرعت و دما می­شوند. شایان ذکر می باشد که این ادیها بواسطه 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 می­گردد، به وجودمی­آیند. اندازه ساختارهای موجود در جریان آشفته مانند ادیها، می­تواند از مقادیر نزدیک به مقیاس مولکولی تا بزرگترین طول مقیاس­های جریان باشد.

اغتشاشات دینامیکی[6] که ذات جریان آشفته می­باشد، می­تواند 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 می­گردد. هر چه اندازه اغتشاشات در مقیاس بزرگتری رخ دهد، اندازه تبادل مومنتوم و حرارت بزرگتر خواهد بود. پس (با درنظرگرفتن افت فشار افزایش یافته در جریان آشفته)، در مسائل درگیر با انتقال حرارت، آشفته کردن 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. بواسطه کوپل بودن توزیع سرعت و دما با یکدیگر، افزایش گرادیان سرعت در نزدیکی دیواره باعث افزایش انتقال حرارت از دیواره نیز می­گردد.

همانطور که تصریح گردید جریان آشفته شامل ادیهای پیچیده و در اندازه­های مختلف می­باشد. برای حل کاملاً دقیق یک میدان جریان آشفته با بهره گیری مستقیم از معادلات بقا، بطوریکه جزئی­ترین پدیده­ها نیز مدنظر قرارگرفته شده باشد، لازم می باشد از شبکه محاسباتی بهره گیری کنیم که اندازه المانهای آن کوچکتر از کوچکترین ادیهای موجود در جریان باشد. یعنی هریک از کوچکترین ادیها به تنهایی توسط چند المان کوچکتر گسسته گردند. بدین مقصود آغاز لازم می باشد که اندازه کوچکترین ادیها بر حسب طول مقیاس کولموگروف[8] تعیین گردند.

تعداد صفحه :84

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   دانلود پایان نامه ارشد : مطالعه عددی انتقال و ته نشینی ذرات در یک کانال جریان مغشوش دو بعدی

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 گردد.

پشتیبانی سایت :        ****       serderehi@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.

***  **** ***

دسته‌ها: رشته مکانیک