مرکز دانلود خلاصه کتاب و جزوات دانشگاهی

فهرست مطالب

عنوان صفحه

فصل اول: ديباچه

1-1- مقدمه.... 2

2-1-رفتار جريان روي موانع. .... 3

4-1-تحريك لايه مرزي..... 5

5-1-تاريخچه مطالعات و تحقيقات انجام شده.. . 7

7-1-هدف پروژه.... .. 11

فصل دوم: معادلات حاكم بر جريان

1-2-معادلات حاكم در جريان آرام... .... 13

2-2-توصيف فرآيندهاي سيال و ساده‌سازي آن‌ها.... ... 15

3-2-مفهوم جريان آرام... ..... 17

4-2-نيروهاي برشي و فشاري.... ... 18

5-2- رابطه بين اصطكاك سيال و انتقال حرارت.. ... 19

6-2-مفهوم انفصال..... .... 19

7-2-طرح QUICK...... ..... 21

8-2-انفصال معادلات حاكم.......... ..... 26

1-8-2-انفصال جمله وابسته به زمان.. .... 27

2-8-2- انفصال جملات جابه‌جايي.... .. 28

3-8-2-انفصال جملات پخش....................................................................... 30

4-8-2-ضرايب جبري معادله انفصال......................................................... 30

9-2-شبكه جابه‌جا شده..................................................................................... 33

10-2-الگوريتم سيمپل....................................................................................... 35

فصل سوم: اجراي برنامه توسط نرم‌افزار Fluent

1-3- مقدمه....................................................................................................... 41

2-3-تولیدهندسه مسئله درنرم افزارGambit))................................................ 41

اجرای برنامهFluent) )..........................................................................................

فصل چهارم: بررسي عملكرد برنامه و نتايج

4- مقدمه............................................................................................................ 57

1-4- بررسي نتايج حاصل از هندسه اول ....................................................... 58

1-1-4- بررسي توزيع عدد ناسلت موضعي در سطوح مختلف مانع مربعي.... 58

2-1-4- بررسي تغييرات عدد ناسلت متوسط با افزايش عدد رنولدز روي سطوحمختلف مانع 63

3-1-4- بررسي متوسط عدد ناسلت روي كل سطح مانع مربعي..................... 64

2-4- بررسي نتايج حاصله از هندسه دوم....................................................... 65

1-2-4- بررسي كانتورهاي جريان................................................................... 65

2-2-4- تأثير فاصله مانع از ديواره كانال بر عدد ناسلت................................ 73

3-2-4- تأثير افزايش عدد رينولدز بر ناسلت ميانگين...................................... 77

4-2-4- تأثير مانع مربعي بر ضريب اصطكاك................................................ 79

3-4- بررسي نتايج حاصله از هندسه سوم...................................................... 86

1-3-4- بررسي تغييرات عدد ناسلت بر افزايش عدد رينولدز در نسبت‌هاي متغير 87

2-3-4- بررسي تغييرات عدد ناسلت متوسط بر حسب تغيير فاصله بين دو مانع88

3-3-4- مقايسه ضريب درگ و برا براي موانع مربعي.................................... 89

4-3-4- تأثير افزايش فاصله موانع بر ضريب درگ......................................... 90

4-4- جمع‌بندي و نتايج...................................................................................... 94

5-4- پیشنهادات و کار های آینده..................................................................... 95

6-4- فهرست مراجع.............................................................................................

 

 

 

 

 

1-1- مقدمه

بيش ازيكصدسال پيش تا كنون جريان حول اجسام جريان بند ( مانع) با سطح مقطع دايره اي ومربعي، توجه بسياري ازمحققين را به خودجلب كرده است. موضوع جريان حول اين اجسام وپديده پخش گردابه ناشي ازآن به خاطر وجودكاربردهاي عملي درمهندسي ازاهميت زيادي برخورداراست ؛ ازجمله كاربردهاي عملي اين نوع جريان ها، مي توان به جريان حول دودكش ها ، ساختمانها وسازه هاي بلند، سازه هاي دريايي، پلهاي معلق، بال هواپيما، پروانه كشتي ودكل ها وبسياري ازمواردديگراشاره نموداين نوع جريان اغلب شامل پديده هاي پيچيده اي ازقبيل جدايش جريان ، ويك، جريان هاي برشي ، جريان گردابه اي وپخش گردابه هستند. دراعداد رينولدزبسياركم ، جريان حول اين گونه اجسام كاملا" به آنها چسبيده وجدايش رخ نمي دهد باافزايش عددرينولدز، جريان ازسطح آنها جدا شده ويك جفت گردابه متقارن درپشت آنها تشكيل مي شودكه با افزايش عددرينولدز،ابعادگردابه ها نيزبزرگترمي شود. با افزايش بيشترعددرينولدزگردابه ها حالت نوساني پيدا كرده ودرجريان پخش مي شوددراين حالت جريان ازحالت دائم به حالت غيردائم تبديل مي شود. درحاليكه اين گونه هندسه ها ازلحاظ مكانيك سيالات به طور وسيعي توسط محققين بررسي شده اند مساله انتقال حرارت دراين هندسه ها به آن گستردگي بررسي نشده ونيازمند مطالعات بيشترياست، لذا سعي شده است دراين تحقيقات بيشتربه جنبه انتقال حرارتي اين گونه هندسه ها توجه گردد

2-1-رفتار جريان روي موانع

هنگامي كه فشار در پايين دست جريان افزايش مي‌يابد، ضخامت لايه مرزي به سرعت زياد مي‌شود. اين گراديان معكوس و نيروي برشي مرزي باعث كاهش اندازه حركت در لايه مرزي خواهد شد و اگر هر دو عامل فوق در طول قابل توجهي از مسير مؤثر باشند، سبب توقف لايه مرزي مي‌شوند كه اين پديده را جدايش مي‌نامند. خطوط جريان مرزي در نقطه جدايش از مرز مربوطه جدا مي‌شوند و در پايين دست اين نقطه گراديان فشار معكوس باعث برگشت جريان در مجاورت جداره مي‌شود. ناحيه پايين دست خطوط جريان كه از مرز جدا مي‌شود موسوم به جريان برگشتي است. اثر جدايش، كاستن از مقدار خالص كاري است كه يك جزء سيال مي‌تواند بر سيال احاطه كننده خود با صرف نيروي جنبشي انجام دهد و در نهايت بازيافت فشار كامل نبوده و اتلافات (كشش) نيز افزايش مي‌يابد.

همان گونه كه مي‌دانيم نيروهاي كشش و برآ دو مولفه دارند نيروي كشش ناشي از شكل و نيروي كشش ناشي از اصطكاك پوسته‌اي و يا نيروي كشش لزجتي. جدايش وجريان برگشتي كه دو پديده همراه هستند تأثير عميقي بر نيروي كشش ناشي از شكل دارند. اگر بتوان از توليد جدايش در هنگام عبور جريان از روي يك جسم جلوگيري كرده، لايه مرزي نازك باقي خواهند ماند و از كاهش فشار در ناحيه برگشتي جلوگيري خواهد شد و بدين وسيله نيروي كشش فشاري به حداقل مقدار خواهد رسيد.]1[

ماهيت‌هاي لايه‌هاي مرزي آرام- درهم نيز تأثير مهمي بر موقعيت نقطه جدايش دارند در لايه مرزي درهم كه انتقال اندازه حركت بزرگ‌تر است براي ايجاد جدايش بايد گراديان فشار معكوس بيشتر از لايه مرزي آرام باشد. به عنوان مثال رفتار جريان بر روي سيلندر استوانه‌اي در اعداد رينولدز بسيار كم جريان بدون آن كه از روي استوانه جدا شود و تشكيل گردابه دهد از روي آن عبور مي‌كند. در مقادير رينولدز پايين جدايش در لايه مرزي آرام اتفاق مي‌افتد و يك جفت گردابه به صورت متقارن در پشت مانع تشكيل مي‌شود. با افزايش عدد رينولدز رها شدن متناوب گردابه در پشت مانع به وجود مي‌آيد و خيابان گردابه‌اي ون‌كارمن در پشت استوانه شكل مي‌گيرد و سبب افزايش فشار منفي در پشت مانع مي‌شود. در عدد رينولدز زير بحراني فركانس رهايي گردابه‌ها مستقل از عدد رينولدز است. اين فركانس را با يك عدد بدون بعد به نام عدد اشتروهال نشان مي‌دهند]2[:

كه در آن f فركانس، d قطر استوانه و V سرعت جريان مي‌باشد. با افزايش عدد رينولدز لايه مرزي آشفته مي‌شود و جدايش در نقطه‌اي نزديك‌تر روي استوانه اتفاق مي‌افتد.

در اين پروژه هندسه‌اي كه مورد بررسي قرار گرفته مانع مربعي واقع در كانال مي‌باشد كه در حالتهاي مختلف مورد بررسي قرار گرفته است.

4-1-تحريك لايه مرزي

در بيشتر كاربردهاي مهندسي نياز به افزايش و يا كاهش انتقال حرارت مي‌باشد ولي مشكل اصلي در اين موارد محدوديت كاهش يا افزايش سطح است. در چنين مواردي راه‌حل مناسب ايجاد تغييرات در ضريب انتقال حرارت است. ضريب انتقال حرارت جابه‌جايي به خواص سيال و ويژگي‌هاي جريان سيال بستگي دارد. در خيلي از موارد نوع سيال قابل تغيير نيست و تنها عاملي كه مي‌تواند براي كنترل انتقال حرارت به كار رود ويژگي‌هاي سيال مي‌باشد. همان طور كه مي‌دانيم به علت وجود لزجت در كنار سطح جامد لايه مرزي تشكيل مي‌شود. اين لايه نقش يك لايه مقاوم در برابر انتقال حرارت را ايفا مي‌كند. با تغييراتي جريان درون لايه مرزي مي‌توان ضريب انتقال حرارت را تغيير داد.

روش‌هاي متعددي براي ايجاد اين تغييرات مورد آزمايش و تحقيق قرار گرفته است و نتايج مختلفي حاصل گرديده است. مجموعه اين تحقيقات با نام تحريك لايه مرزي شناخته مي‌شود. از جمله پارامترهاي مهم ديگري كه از تحريك لايه مرزي براي ايجاد تغييرات در آن بهره‌گيري مي‌شود، ضريب اصطكاك مي‌باشد.

اساس تحريك لايه مرزي بهره‌گيري از پديده‌هاي مختلف سيالاتي نظير نقطه سكون، گردابه جدايش لايه مرزي، ايجاد جت سيال درون لايه مرزي و ... مي‌باشد. با استفاده از اين پديده‌ها الگوي جريان درون لايه مرزي به هم خورده و ضخامت لايه مرزي تغيير مي‌كند. يك روش عمده براي ايجاد اين پديده‌ها استفاده از موانع خارجي درون لايه مرزي و يا ايجاد برجستگي‌ها و فرورفتگي‌ها بر روي خود سطح مي‌باشد. بسته به هندسه مورد استفاده مي‌توان يك يا تركيبي از اين پديده‌هاي سيالي را به وجود آورد. هر يك از اين پديده‌ها اثر خاصي بر ميزان ضريب انتقال حرارت، ضريب درگ مانع و هم‌چنين صفحه‌اي كه مانع بر روي آن قرار گرفته است.]1[

در زمينه استفاده از موانع براي تحريك لايه مرزي تحقيقات چندي صورت گرفته است. در برخي از تحقيقات سعي شده است با تغيير الگوي جريان در پشت موانع كه معمولا با توليد گردابه مي‌باشد ضريب انتقال حرارت و يا ضريب درگ مانع و هم‌چنين صفحه‌اي كه مانع بر روي آن قرار گرفته تغيير داده شود.

در اين پروژه با قرارگيري يك مانع مربعي در فواصل مختلف از ديواره يك كانال، روند تغييرات عدد ناسلت، ضريب درگ، اصطكاك موضعي و ساير پارامترهاي مؤثر بررسي مي‌گردند. در ادامه تاريخچه‌اي از اين مطالعات آورده مي‌شود.

5-1-تاريخچه مطالعات و تحقيقات انجام شده

جريان بروي موانع داخل كانال موردتوجه بسياري ازمحققين درزمينه هاي مختلف مهندسي مي باشد.تحقيقات انجام شده شباهتهايي مابين جريان حول يك جسم جريان بندوحول دوجسم جريان بندپشت سرهم راگزارش مي نمايد.دراين نوع جريان ها علاوه برتاثيرعددرينولدز،نقش فاصله موانع ازديواره هاي كانال وازهم برپيچيدگي هاي جريان مي افزايد. لذا دراين گزارش سعي شده پاره اي ازتحقيقات انجام شده دراين زمينه رابيان نماييم.

كلكاروپاتنكار] 3 [ درسال 1992جزواولين محققاني بوده اندكه مساله انتقال حرارت جابجايي اجباري خالص را درهندسه يك مانع مربعي وسط كانال بررسي كرده اند.نتايج آنها نشان مي دهد علارقم تفاوت قابل ملاحظه درميدان دما درجريانهاي دائمي وغيردائمي اين هندسه، ضريب انتقال حرارت كلي دراين دونوع جريان، تفاوت چنداني ندارد.

سوزوكي وهمكارانش ] 4[ درسال 1994 جريان آرام داخل كانال با يك مانع مربعي نصب شده دروسط كانال همراه با انتقال حرارت را بصورت عددي مورد بررسي قرار داده اند. آنها نشان داده اندكه جريان غيردائمي كه درپشت مانع ايجادمي شودتاثيرقابل ملاحظه اي برانتقال حرارت ازديواره هاي كانال برجاي مي گذارد.

تركي وهمكارانش ] 5[ درسال2003 جريان دوبعدي آرام همراه باانتقال حرارت درداخل يك كانال با يك مانع مربعي وسط كانال راموردبررسي قرار داده انددراين بررسي دونسبت انسداد25درصد5/12درصددرنظرگرفته شده واثرجابجايي آزاد درسرعتهاي پايين نيزبررسي شده است آنها نشان داده اندكه براي عددريچاردسون كمتراز05/0مي توان انتقال حرارت جابجايي اجباري رابه عنوان تنها مكانيزم انتقال حرارت دراين مساله درنظرگرفت همچنين نتايج حاصله ازتحقيقات آنها كه بصورت منحني هاي عددناسلت موضعي ومتوسط بيان شده است نشان گرتاثيرعددرينولدزبرانتقال حرارت ازاستوانه دما ثابت مي باشد.

اورتگا (Ortega) و همكارانش در سال 2000 جريان آرام ناپايدار را درعبور از موانع مربعي واقع در كانال بررسي نمودند. ايشان عدد ناسلت متوسط و هم‌چنين خواص ايروديناميكي مانند ضريب درگ، ضريب فشار و عدد اشتروهال را محاسبه كرده و به اين نتيجه رسيدند كه عدد ناسلت و اشتروهال با نزديك شدن مانع به ديواره‌هاي كانال كاهش مي‌يابند.]6[

بتچرايا (Bhattacharyya) و ميتي (Maiti) در سال 2004 جريان اطراف يك مانع مربعي را كه موازي با ديواره و در داخل لايه مرزي قرار گرفته بود را مورد بررسي قرار داده‌اند. در اين تحقيق جريان آرام (Re=1400) فرض شده و سيلندر در فواصل مختلف از صفحه واقع شده است. نتايج حاكي از كاهش عدد اشتروهال و افزايش نيروي درگ با كاهش فاصله مانع تا صفحه است.]7[