3-4-3-خواص فيزيكي28
3-4-4-كاربردهاي محلول C.M.C29
3-4-5-بررسي تجربي رفتار رئولوژيكي محلول كربوكسي متيل سلولز يا C.M.C32
فصل چهارم: مدل سازي رياضي
4-1 هندسه مسئله36
4-2 فرضيات مسئله37
4-3 معادلات حاکم بر جريان سيال39
4-3-1-معادلات حاكم37
4-3-2 معادله پيوستگي38
4-3-3 اصل بقاء اندازه حركت(قانون دوم نيوتن)40
4-3-3-1-اصل بقاء اندازه حركت براي سيالات نيوتني40
4-3-3-2- اصل بقاء اندازه حركت براي سيالات غير نيوتني44
4-4-اصل بقاء انرژي (قانون اول ترموديناميك)49
4-4-1-اصل بقاء انرژي براي سيالات نيوتني45
4-4-2-اصل بقاء انرژي براي سيالات غير نيوتني48
4-5-معادله‌هاي بي‌بعد48
4-6-محاسبه عدد ناسلت49
4-7-شرايط مرزي50
4-8-شبيه سازي و مدل‌سازي مساله51
4-8-1-شبكه بندي51
4-8-2-مدل سازي و شبيه سازي52

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

4-8-2-1-خواندن شبكه در فلوئنت52
4-8-2-2-ارائه مقياس و واحدهاي مناسب شبكه در فلوئنت53
4-8-2-3-نمودار باقيمانده معادلات پيوستگي ، اندازه حركت و انرژي54
4-8-2-4-تصوير خام شبكه در نرم افزار فلوئنت55
4-9-اعتبار سنجي55
فصل پنجم: نتيجه گيري
5-1-گرفتن نتايج از نرم افزار63
5-1-1- نتايج مدل سازي63
5-1-2- بررسي ميدان فشار در مبدل63
5–1-3-بررسي ميدان دما در مبدل63
5-1-4- بررسي توزيع سرعت در مبدل حرارتي71
5-2-5- بررسي عملکرد سيال در دماهاي متفاوت ورودي74
5-2-نمودار Plot xy :77
5-3- نمودار Histogram (پلكاني):78
5-4-بررسي تغييرات عدد ناسلت78
5-5-بررسي اثرات مشخصات سيالات غيرنيوتني81
5-5-1-بررسي پروفيل سرعت در مقاطع مختلف استوانه81
5-6-تأثير تغييرات گام طولي بر روي افت فشار85
5-7-تأثير تغييرات گام عرضي بر روي تغييرات فشار86
5-8- نمودارهاي نقطه اي xyplotدر نقطه اي به نام point586
5-9- نتيجه گيري93
5-10-پيشنهادات94
مراجـع:95
چکيده انگليسي…………………………………………………………………………………………………………….98
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول3-1 الگوهاي مختلف براي تنش برشي سيالات غيرنيوتني مستقل از زمان21
جدول 3-2 ضرايب معادلات n و k بر حسب t34
فهرست اشكال
عنوان صفحه
شكل3-1-حركت برشي آرام بين دو صفحه موازي براي سيال نيوتني در حالت پايدار17
شكل3-2-طبقه بندي سيالات غيرنيوتني19
شكل3-3-منحني جريان سيالات مستقل از زمان20
شكل3-4-منحني لگاريتمي جريان سيال شبه پلاستيك23
شكل3-5-تغييرات ويسكوزيته -شدت برش سيالات غيرنيوتني فاقد تنش تسليم 24
شكل 3-6-منحني هاي جريان سيالات غيرنيوتني تابع زمان در آزمايشات منفرد پايدار25
شكل 3-7-نمودار تغييرات ويسكوزيته نسبت به زمان سيال وابسته به زمان26
شكل 3-8 نمودار شاخص پايدار سيال K بر حسب درجه حرارت t در غلظت هاي مختلف33
شكل 3-9-نمودار شاخص رفتار ساختاري سيال n بر حسب درجه حرارت t در غلظت هاي مختلف33
شكل 4-1-چهار لوله با آرايش هم خط در معرض جريان يكنواخت با سرعت U و درجه حرارت T037
شكل 4-2- حجم كنترل براي بدست آوردن معادله پيوستگي39
شكل 4-3-الماني براي بدست آوردن اصل بقاء اندازه حركت41
شكل 4-4-الماني براي بدست آوردن اصل بقاء انرژي45
شكل 4-5-شبكه رسم شده در نرم افزار انسيس52
شكل 4-6-شبكه خوانده شده در نرم افزار فلوئنت53
شكل4-7-نمودار باقيمانده در نرم افزار فلوئنت54
شكل 4-8-تصوير خام شبكه ايجاد شده در انسيس55
شكل 4-9-تأثير گام عرضي(SL) بر روي پروفيل سرعت در رينولدز80=Re56
شكل 4-10-ميدان سرعت در اطراف چهار لوله درون مبدل57
شكل 4-11-ميدان فشار در اطراف چهار لوله درون مبدل حرارتي57
شكل 4-12-توزيع دما در مبدل حرارتي در اطراف چهار لوله درون مبدل58
شكل 4-13-تأثير گام عرضي (SL) بر روي خطوط همدما در رينولدز80=Re59
شكل 4-14-تأثير گام عرضي در توزيع دماي سيال درون مبدل60
شكل 5-1-نماي نزديك‌تر در توزيع فشار در سرعت 1414/0 متر بر ثانيه64
شكل 5-2-نمايش توزيع فشار در اطراف چهار لوله در سرعت 1414/0متر بر ثانيه65
شكل 5-3-توزيع فشار در اطراف چهار لوله در سرعت 7 متر بر ثانيه66
شكل 5-4-توزيع فشار در صفحه خروجي مبدل حرارتي66
شكل 5-5-نمايش توزيع فشار در سرعت 14 متر بر ثانيه67
شكل 5-6-توزيع دما درون مبدل در سرعت ورودي 1414/0 متر بر ثانيه68
شكل 5-7-توزيع دما در اطراف چهار لوله در سرعت ورودي 1414/0 متر بر ثانيه68
شكل 5-8-توزيع دما در اطراف چهار لوله در سرعت ورودي 2449/0 متر بر ثانيه69
شكل 5-9-توزيع دما در صفحه عمودي وسط مبدل حرارتي69
شكل 5-10-توزيع فشار استاتيك در صفحه خروجي مبدل حرارتي70
شكل 5-11-توزيع دما در اطراف چهار لوله در سرعت ورودي 14 متر بر ثانيه70
شكل 5-12-توزيع سرعت در صفحه خروجي مبدل حرارتي71
شكل 5-13-توزيع سرعت سيال در صفجه ورودي مبدل حرارتي72

شكل 5-14-توزيع سرعت سيال در صفحه عمودي وسط مبدل حرارتي (بين لوله‌هاي چپ و راست)72
شكل 5-15-پروفيل سرعت سيال نيوتني در صفحه ورودي مبدل حرارتي73
شكل 5-16-پروفيل سرعت سيال نيوتني در صفحه خروجي مبدل حرارتي74
شكل 5-17-توزيع دما در اطراف چهار لوله درون مبدل 75
شكل 5-18-توزيع سرعت سيال در اطراف چهار لوله 75
شكل 5-19-توزيع دما در اطراف چهار لوله مبدل حرارتي76
شكل 5-20-نمودار تغييرات فشار در جابجايي بين 8-تا8 متر77
شكل 5-21 نمودار تغييرات مقدار سرعت در جابجايي بين 8-تا 8 متر77
شكل 5-22-نمودار تغييرات فشار استاتيك بر حسب پاسكال(نمودار پلكاني)78
شكل 5-23 نمودار تأثير شاخص رفتار سيال بر روي عدد ناسلت در 5=Re79
شكل 5-24-نمودار تأثير شاخص رفتار سيال بر روي عدد ناسلت در 10=Re79
شكل 5-25-نمودار تأثير شاخص رفتار سيال بر روي عدد ناسلت در 15=Re80
شكل 5-26-نمودار تأثير رفتار سيال بر روي عدد ناسلت در 20=Re80
شكل 5-27-نمودار تأثير شاخص رفتار سيال بر روي عدد ناسلت در 50=Re81
شكل 5-28-پروفيل سرعت در ورودي لوله در 20=Re 82
شكل 5-29-پروفيل سرعت قبل از لوله جلويي در 20=Re82
شكل 5-30-پروفيل سرعت روي لوله جلويي در 20=Re83
شكل 5-31-پروفيل سرعت بين لوله ها در رينولدز 20=Re83
شكل 5-32-پروفيل سرعت روي لوله عقبي در 20=Re84
شكل 5-33-پروفيل سرعت بعد از لوله عقبي در 20=Re84
شكل 5-34-تأثير گام طولي بر روي تغييرات فشار در مركز لوله با 75=Re85
شكل 5-35-تأثير گام عرضي بر روي تغييرات فشار در مركز لوله با 75=Re85
شكل 5-36-نمودار فشار استاتيك بر حسب پاسكال در جابجايي بين 8-تا 8 متر براي ورودي و خروجي
و point587
شكل 5-37-نمودار فشار استاتيك بر حسب پاسكال در جابجايي 8-تا8 متر براي كل محيط پيوسته87
شكل 5-38-نمودار فشار استاتيك برحسب پاسكال در جابجايي 8-تا 8 متر براي ديواره‌هاي چهار لوله و ديواره مبدل و point588
شكل 5-39-نمودار فشار استاتيك بر حسب پاسكال در جابجايي بين 8-تا 8 متر براي ورودي تا خروجي
مبدل حرارتي 88
شكل5-40-نمودار مقدار سرعت در جابجايي بين 8-تا 8 متر براي كل محيط پيوسته 89
شكل 5-41-نمودار مقدار سرعت در جابجايي بين 8-تا 8 متر براي ورودي و خروجي و point589
شكل 5-42-نمودار مقدار سرعت در جابجايي بين 8-تا 8 متر براي ديواره هاي چهار لوله و point590
شكل 5-43 نمودار مقدار سرعت در جابجايي بين 8-تا8 متر براي ورودي تا خروجي مبدل حرارتي90
شكل 5-44-نمودار مقدار دما در جابجايي بين 8-تا 8 متر براي ورودي و خروجي و point591
شكل 5-45-نمودار مقدار دما در جابجايي بين 8-تا 8 متر براي ديواره هاي چهار لوله و ديواره مبدل حرارتي
و point591
شكل 5-46-نمودار مقدار دما در جابجايي بين 8-تا8 متر براي كل محيط پيوسته92
فهرست علائم
علائم انگليسي
dقطر لولهHارتفاع استوانهSLگام عرضيSTگام طوليKشاخص پايداريnشاخص رفتار سيالNuعدد ناسلتPفشارPeعدد پكلتGrعدد گراشفP*فشار بي بعدP’فشار تصحيح شدهRiعدد ريچاردسونPrعدد پرانتلReعدد رينولدزSجمله چشمهTدماي سيالT0دماي وروديTwدماي ديواره سيالUسرعت سيال در جهت zVسرعت سيال در جهت rU*سرعت حدس زده شدهUcسرعت تصحيح شدهV*سرعت حدس زده شدهLطول استوانهGشتاب جاذبهu’سرعت تصحيح شده سيال در جهت zV’سرعت تصحيح شده سيال در جهت rr,zمختصات استوانه اسدبي جرميq”شار حرارتيq”نرخ توليد انرژي داخليFنيروDضريب هدايت كلي پخشCقدرت جابجاييHضريب انتقال حرارت جابجاييBجمله چشمه جرمK*ضريب هدايت حرارتيعلايم يونانيتنشضخامت لايه مرزي گرماييضرائب گره هاي شرقيضرائب گره هاي غربيضرايب گره مركزيتنش تسليم بي بعدتنش تسليمويسكوزيتهويسكوزيته مرجعدانسيتهدانسيته بي بعدنرخ برشيويسكوزيته ظاهري سيالشدت برشتنش روي ديوارهتابع اتلاف انرژي چسبندگيدماي بي بعدضريب پخش حرارتيضريب پخش كلياپراتور ديفرانسيلضريب انبساط حرارتيزيرنويسهاCondهدايتConvجابجاييcvحجم كنترلIوروديOخروجيMaxماكزيمم يك متغيرMinمي نيمم يك متغيرMمقدار متوسط در مقطع لولهRefمقدار مرجعشرايط جريان آزاد Ncجريان در حالت طبيعي Fcجريان در حالت اجباري
چكيده:
امروزه از سيستمهاي مختلفي استفاده ميشود که در آنها براي انتقال حرارت از جريان سيال عمود بر يک دسته لوله استفاده شده است. از جمله پرکاربردترين اين سيستمها ميتوان به مبدلهاي حرارتي راکتورهاي هستهاي و خنککاري پره توربين اشاره کرد. در اين سيستمها بسياري از سيالات استفاده شده كه خواص رئولوژيکي غيرنيوتوني دارند؛ در اين پژوهش به کمک ديناميک سيالات محاسباتي دو بعدي، رفتار جريان سيال غير نيوتوني قاعده تواني در محدوده رينولدز 20 تا 50، در جريان عمود بر چهار لوله موازي بررسي شدهاست. براي ايجاد هندسه و شبکهبندي از نرمافزار انسيس و براي حل معادلات حاکم با روش حجم محدود و تحليل ديناميکي نتايج از نرمافزار فلوئنت استفاده شدهاست. در اين پايان نامه بررسي عددي سيالات غير نيوتني قاعده تواني در روي دسته لوله‌هاي با آرايش مستطيلي و همين‌طور شرايط هيدروديناميكي و حرارتي با شرايط مرزي دماي ثابت مورد مطالعه قرار گرفته است و لذا ضمن بررسي پارامترهاي مؤثر بر ميزان انتقال حرارت و افت فشار، اثرات پارامترهاي رئولوژيكي سيال غيرنيوتني در مبدل‌هاي حرارتي در اين پايان نامه مورد توجه مي‌باشد. در اين راستا معادله پيوستگي، معادلات اندازه حركت، معادله انرژي همراه با معادله اساسي رئولوژيكي به طور همزمان حل شده است. نتايج حاصل از اين مدلسازي نشان مي‌دهد با افزايش شاخص رفتار سيال، تنش برشي زياد شده است و انتقال حرارت زياد مي‌شود و همچنين با افزايش گام عرضي عدد ناسلت زياد شده و باعث افزايش انتقال حرارت مي‌شود. در نهايت روابط اعداد بيبعد رينولدز و نوسلت تعيين و تاثير پارامترهاي رئولوژيکي بر رژيم جريان بررسي شد‌ه است. نتايج بيانگير اين است كه در مقادير ثابت عدد رينولدز، با افزايش مقدار پرانتل، مقدار ناسلت افزايش مي‌يابد كه علت آن كاهش ضخامت لايه مرزي گرمايي در آن سطر مي‌باشد. در مقادير ثابت عدد پرانتل با افزايش شاخص رفتار سيال مقدار ناسلت افزايش مي‌يابد و در تغييرات ناسلت ناچيز بوده و از تغييرات ناسلت افزايش پيدا مي‌كند.
فصل اوّل:
كليــات
در علم مكانيك سيالات دو نگرش نظري و تجربي وجود دارد كه به بررسي رفتار ديناميكي سيال مي‌پردازد. در نگرش نظري، هيدروديناميك، علم مكانيك سيالات، با معادلات حركت اويلر در مورد يك سيال ايده‌آل فرضي شروع شده و تا حد قابل‌توجهي در اواخر قرن نوزدهم پيشرفت نمود. بطوريكه در مواردي جوابگوي موضوعات مكانيك سيالات بود.ولي در عرصه علم هيدروليك كه متكي بر تجربيات آزمايشگاهي مي‌باشد، علم كلاسيك هيدروديناميك در تعارض با نتايج تجربي بوده بطوريكه با رشد تكنولو‍ژي ديگر معادلات حركت اويلر جوابگوي مسائل علمي در زمينه سيالات نبود. بديهي است كه علت اختلاف بين نتايج هيدروديناميك كلاسيك و علم هيدروليك مبتني بر تجربه، صرف نظر كردن از اصطكاك سيال مي‌باشد. با ارائه معادلات حركت سيالات با اصطكاك (معادلات ناوير- استوكس1) راه حل حركت سيالات توام با اصطكاك با استفاده از علوم رياضي و روش‌هاي عددي ارائه شده، هموار شده است. حل معادلات حاكم در مكانيك سيالات يكي از مطرح ترين مسائل در علوم مهندسي است. در ابتدا دو شاخه مختلف ديناميك سيالات با همديگر تركيب شده و روابط زيادي بين تجربه و نظري به دست آمد و راه را براي توسعه موفقيت آميز مكانيك سيالات باز نمود. با استفاده از اصول نظري و برخي آزمايش‌هاي ساده، پرانتل اثبات نموده كه جريان در اطراف يك جسم جامد را مي‌توان به دو ناحيه تفكيك نمود. لايه بسيار نازك در مجاورت جسم (لايه مرزي2) كه در آن اصطكاك نقش مهمي دارد و ناحيه خارج از اين لايه كه مي‌توان از اصطكاك صرفنظر نمود. بدين ترتيب او اولين قدم را جهت يكي ساختن تئوري و عمل برداشت. در اغلب موارد فرمولبندي قوانين پايه مكانيك سيالات، به صورت معادلات ديفرانسيل جزئي3 در مي‌آيد كه بيشترمعادلات به صورت ديفرانسيل پاره‌اي مرتبه دوم ظاهر مي‌شوند و بنابراين در مكانيك سيالات و انتقال حرارت از اهميت ويژه‌اي برخوردارند. عموماً، معادلات حاكم در مكانيك سيالات يك مجموعه معادلات پاره‌اي غيرخطي و وابسته را ايجاد مي‌كنند كه بايد در يك قلمرو ناهموار با شرايط اوليه و مرزي مختلف حل شوند. در بيشتر موارد، حل تحليلي معادلات مكانيك سيالات بسيار محدوداست. با اعمال شرايط مرزي، اين محدوديت‌ها بيشتر مي شود. مكانيك سيالات تجربي مي‌تواند اطلاعات مورد نياز يك ميدان جريان خاص را فراهم كند. در هرحال به علت محدوديت‌هاي تجهيزاتي، مانند اندازه نمونه آزمايش و تجهيزات آزمايشگاهي و همچنين مشكلات ناشي از عدم تشابه كامل با ميدان جريان واقعي، كسب اطلاعات آزمايشگاهي در بيشتر ميدان‌هاي جريان غيرعملي است.
به هرحال از نتايج آزمايشگاهي براي اثبات درستي حل معادلات رياضي استفاده مي‌شود. پس در طراحي، نتايج آزمايشگاهي و نتايج محاسباتي معادلات در كنار يكديگر بكار مي‌روند. روشي كه در سال‌هاي اخير رواج زيادي يافته، در واقع روش ديناميك سيالات عددي است. البته تحليل عددي از گذشته هاي دور دراز مطرح بوده است. در هر حال پيشرفت هاي بدست آمده در امر ساخت كامپيوترها كه سبب افزايش حافظه و كارايي شده، امكان حل معادلات مكانيك سيالات را با استفاده از روش‌هاي عددي مختلفي فراهم كرده است. برخلاف مكانيك سيالات تجربي، شرايط جريان در ابعاد و اندازه‌هاي آن به راحتي قابل تغييرند تا اهداف طراحي مختلفي را بتوان برآورده كرد.]1[.
در طول ساليان اخير، صنايع غذايي، دارويي و شيميايي براي رفع نيازهاي بشر، توسعه روز افزوني يافته‌اند. در فرآيند توليد محصولات در اين صنايع، عموماً با سيالات جديدي مواجه مي‌شوند كه رفتار برشي آنها را با استفاده از روابط مربوط به سيالات نيوتني نمي‌توان بررسي نمود. از طرفي شمار زيادي از سيالاتي كه در صنعت كاربرد داشته و داراي مشخصه “برش رقيق4″ و”برش غليظ5” مي‌باشند، سيال قاعده تواني6 ناميده مي‌شود. تعدادي از اين سيالات معروف در صنعت از قبيل محلول‌ها و مذاب‌هاي پليمري جامدات معلق در مايعات، امولسيون‌ها و موادي كه دو خاصيت ويسكوز و الاستيك را توامان دارند و به ويسكو الاستيك‌ها معروف هستند و پلاستيك‌هاي گداخته شده، پليمرها، جسم خمير مانند و غذاها، رفتار سيال غير نيوتني از خود نشان مي‌دهند. بررسي اين سيالات موجب پيدايش علم جديدي به نام رئولوژي7 شده است.
در صنايع زيادي كه از سيالات غير نيوتني استفاده مي‌شود. از آن جمله مي‌توان به صنايع توليد مانند لاستيك‌ها، پلاستيك‌ها، الياف مصنوعي، صابون‌ها و شوينده‌ها، صنايع نفت و پتروشيمي، صنايع داروسازي، پزشكي، انرژي اتمي، كارخانه‌هاي سيمان، صنايع غذايي، صنايع چوب و كاغذ، مواد شيميايي سبك و سنگين اشاره نمود. همچنين برخي از فرآيندهاي صنعتي، فرآيندهاي تخميري، از قبيل فرايندهاي سنگ‌هاي معدني، صنايع چاپ و رنگ از سيالات غيرنيوتني استفاده مي‌شود، با توجه به كاربرد وسيعي كه سيالات غيرنيوتني دارند ميتوان به ارزش و اهميت بررسي اين سيالات پي برد.
فرآيندهاي انتقال حرارت در طيف وسيعي از كاربردهاي صنعتي (بيوشيميايي، صنايع غذاي، پليمرو…) وجود دارند. مسائل مربوط به جريان آرام و انتقال حرارت با جابجايي اجباري در يك كانال در طراحي مبدل‌هاي حرارتي، خنك كاري سيستم‌هاي الكترونيكي و غيره، اهميت بسزايي دارد. از طرفي مبدل‌هاي حرارتي از تجهيزات اصلي انتقال حرارت مي‌باشند و بهينه‌سازي در طراحي آنان از نظر افت فشار سيال و شدت انتقال گرما براي سيالات مختلفي كه در آنها جاري هستند مورد توجه خاص علوم مهندسي مي‌باشد.]1[و ]2[.
1-1-اهميّت بررسي جريان اطراف لوله‌ها
بررسي جريان و انتقال حرارت سيالات نيوتني و غيرنيوتني حول يك لوله و يا يك دسته لوله از اهميّت بسزايي برخوردار است و در بسياري از پديده‌هاي مهندسي همانند طراحي مبدل‌هاي حرارتي، رآكتورهاي هسته‌اي و شيميايي، پره‌هاي توربين و كمپرسور وغيره كاربرد دارد وسيعي دارد. به همين جهت موضوع مهمي براي تحقيق در ديناميك سيالات و انتقال حرارت گرديده است. هر كدام از دستگاه‌هاي فوق كاربردهاي فراواني در صنايع پتروشيمي، پليمر، صنايع غذايي و دارويي و … خواهند داشت و واضح است كه اكثراً با يك دسته لوله سروكار خواهيم داشت كه مي‌تواند آرايش‌هاي مختلفي داشته باشد. مثلاً در مبدل‌هاي حرارتي كه يكي از اجزاء مهم در نيروگاهها، صنايع فرآيندي و شيمياي، گرمايش، تهويه مطبوع، تبريد، خنك كاري سيستم‌هاي الكترونيكي و غيره مي باشد، انتقال گرما به يا از مجموعه لوله‌هاي عمود بر جريان وجود دارد كه مي‌تواند توليد بخار در ديگ بخار، چگالش بخار در كندانسور و سرمايش هوا در يك دستگاه تهويه مطبوع باشد. در اين راستا در طراحي مبدل‌هاي حرارتي پارامترهاي متعددي شامل ظرفيت تبادل گرما، تعداد لوله‌ها با طول و قطرهاي متفاوت، ابعاد مهندسي مبدل، آرايش لوله‌ها و صفحات نگهدارنده آن و سيالاتي كه وظيفه انتقال حرارت را به عهده دارند دخالت داشته و لذا گزينه‌هاي مختلفي مطرح مي‌گردند، بنابراين اهميّت محاسبات و كسب نتايج كاملاً مشهود مي‌باشد و در گذشته كه امكان بكارگيري روش‌هاي عددي ميسر نبود به كمك روش‌هاي تجربي نتايج بدست مي‌آمد. واضح است روش‌هاي تجربي علاوه بر اينكه محدوديتي در تعداد آزمايشات دارد از نظر اقتصادي هم مقرون به صرفه نيست. موضوع مقاله بررسي عددي انتقال حرارت سيالات غيرنيوتني بدون تنش از روي دسته لوله‌ها با آرايش مستطيلي مي‌باشد.
به علت اهميت موضوع از چند دهه قبل كارهاي زيادي در اين زمينه انجام گرفته است. برخي از اين مطالعات اوليه به صورت نظري و برخي ديگر به صورت تجربي مي‌باشد. تقسيم بندي سيالات به انواع مختلف و رفتارهاي متفاوتي كه از خود نشان مي‌دهند باعث گستردگي موضوع مي‌شود. با توجه به گستردگي كارهاي انجام شده روي موضوع مورد بحث، وجود يك سري نقايص در آن‌ها مشهود است كه راه را براي تحقيق بيشتر باز كرده است. از مهمترين نقايص موجود مي‌توان به موارد ذيل اشاره كرد:
الف) كمبود كارهاي عددي و تجربي انجام شده براي سيالات غيرنيوتني.
ب) محدود بودن اكثر كارهاي انجام شده به دو شرط مرزي ديواره با شار حرارتي و دماي ثابت.
ج) استفاده از روشهاي نظري در بيشتر موارد كه در نتيجه از فرض‌هاي ساده كننده مختلفي براي حل معادلات مربوطه استفاده شده كه اين كار باعث انحراف از جواب و نتيجه واقعي مي‌شود.
با توجه به موارد فوق در تحقيق حاضر سعي بر آن شده است كه با كاربرد روشي مناسب اين نقايص برطرف گردند. در اين تحقيق انتقال حرارت از يك سيال غيرنيوتني قاعده تواني8 بصورت عددي در داخل لوله بصورت كلي مورد بررسي قرار گرفته است. از اين‌رو براي انجام بررسي مورد نظر از يك مبدل حرارتي با آرايش دسته لوله‌هاي مستطيلي با مقطع دايره‌اي استفاده شده است، در تحقق اين امر با كاربرد سيال غيرنيوتني قاعده تواني، حرارت جابجايي و چگونگي تغييرات ضريب انتقال حرارت بررسي شده است. به اين ترتيب با انجام اين تحقيق گامي مؤثر در جهت تكميل كارهاي گذشته برداشته و با توجه به رفتار واقعي كه سيال از خود نشان مي‌دهد و اينكه سيستم عملكرد آن با كاربردهاي صنعتي تا حد زيادي مشابه است مي‌توان به جواب‌هاي حاصله اعتماد بيشتري كرد.
1-2-محتواي فصل هاي بعدي
در ابتداي اين پايان نامه ابتدا به طور مختصر به اهميّت موضوع پرداخته شده است. در فصل دوم به طور مفصل در مورد مطالعات تئوري و تجربي انجام گرفته بر روي انتقال حرارت سيالات نيوتني، غيرنيوتني جريان آرام روي دسته لوله‌ها همراه با تقسيم بندي شرايط مرزي و نتايج حاصله بحث شده است، فصل سوم به تشريح رفتار سيالات غير نيوتني و تقسيم‌بندي آن به انواع مختلف اختصاص يافته است. فصل چهارم به توصيف مسأله، ارائه معادلات حاكم و شرايط مرزي متفاوت پرداخته است. در فصل پنجم، روش عددي مورد استفاده در اين پايان نامه، اختلاف محدود بر مبناي حجم كنترل تشريح شده و نتايج به دست آمده از حل عددي ارائه شده و سپس به بررسي تغييرات پرداخته و به نتيجه‌گيري كلي پرداخته شده است.
فصل دوّم:
مروري برادبيّات تحقيق
مطالعه جريان عمود بر يك دسته لوله از اهميّت بسزايي برخوردار است و در بسياري از پديده‌هاي مهندسي همانند طراحي مبدل‌هاي حرارتي، پره‌هاي توربين و كمپرسور، كابل‌هاي انتقال برق، سرمايش پره‌هاي توربين، راكتورهاي هسته‌اي و شيميايي، دودكش‌هاي جفت لوله‌اي و غيره و حتي در علم هواشناسي و علم نجوم كاربرد وسيعي يافته است. به همين جهت موضوع جالبي براي مطالعه اصول ديناميك سيال و انتقال حرارت در دراز مدت شده است. كارهاي تجربي در اين مقوله را مي‌توان در مقالاتي از سالهاي 1946 به بعد يافت كه تعداد آنها بسيار است لكن به علت پيچيدگي جريان و شكل هندسي و موانع محاسباتي، كارهاي عددي بعدها در دو دهه اخير با پيشرفت علوم رايانه‌اي توسعه يافته است.
به علت اهميّت موضوع كارهاي فراواني در اين زمينه انجام گرفته است. برخي از اين بررسي‌هاي اوليه بصورت تئوري وبرخي ديگر بصورت تجربي مي‌باشد. تقسيم بندي سيالات به انواع مختلف نيوتني و غير‌نيوتني و رفتارهاي متفاوت كه از خود نشان مي‌دهند، باعث گسترده شدن موضوع براي بحث مي‌شود. كارهاي تئوري انجام شده در اين زمينه به دو صورت تحليلي و عددي مي باشد. روش عددي داراي خطاي بيشتري نسبت به روش تحليلي است و در مواردي كه حل تحليلي به جواب نرسد، روش حل عددي مورد توجه قرار مي‌گيرد.
2-1-جريان سيالات نيوتني روي دسته لوله
چن و ونگ9 جريان سيال نيوتني را از روي چهار لوله به صورت هم رديف و سه لوله به صورت غير هم‌رديف عبور مي‌كرد را مورد مطالعه قرار دادند.]3[ در اين مطالعه، روش اجزاي محدود به كار گرفته شده و جريان آرام و دو بعدي فرض شده و معادلات ناوير-استوكس و انرژي تواماً حل شده‌اند. براي بررسي جريان روي چهار لوله از الگوي فوق الذكر استفاده نموده و براي توسعه كار ديگران به جاي شرط مرزي هم‌دما براي سطوح جانبي لوله‌ها در معادله انرژي (كه در اكثر مقالات به چشم مي‌خورد) شرط مرزي شار حرارتي ثابت نيز اعمال گرديد و همچنين براي اعداد پرانتل كوچك محاسبات صورت پذيرفت.
در مقاله چن يكي از نقاط ضعفي كه مي‌توان به آن اشاره كرد انتخاب حوزه محاسباتي است كه ماخذي براي آن مطرح ننموده است و با توجه به مراجع موجود و پژوهشي كه در اين مقاله صورت گرفته است بنظر مي‌رسد كه ابعاد حوزه محاسباتي در تمام جهات كمتر در نظر گرفته شده است. ضمناً چون جريان را دوبعدي در نظر گرفت بدنبال آن لوله‌ها را به اندازه كافي بزرگ فرض نمود بطوريكه اگر طول لوله محدود باشد جواب دقيقي نمي‌دهد.
در مقاله گودا10 شبيه‌سازي عددي جريان گذرا، همراه با انتقال حرارت، از روي يك دسته لوله پنج تايي با آرايش رديفي به روش اجزاء محدود انجام داده است]4[. در اين مطالعه خطوط جريان، خطوط هم‌دما، ضريب اصطكاك، عدد ناسلت و ضريب فشار حول لوله‌ها بررسي شده‌اند. اطلاعات بيشتري در مورد گامهاي زماني ارائه شده است. از طرفي محاسبات را براي آرايش غير هم رديف انجام داده است. نكته قابل توجه در اين مطالعه آن است كه محاسبه اعداد ناسلت موضعي و متوسط در سه شبكه اجزاء محدود مختلف صورت پذيرفته است و حداكثر 5/1 درصد اختلاف بين آن ها ملاحظه مي‌شود. لذا شبكه‌بندي قابل قبولي براي آناليز جريان از روي يك دسته لوله با آرايش رديفي ايجاد گرديده است.
وونگ تحليل عددي انتقال حرارت جابجايي اجباري جريان سيال هنگام عبور از يك دسته لوله با آرايش غيرهمخط شامل ده لوله انجام داده است]5[. جريان دو بعدي، آرام و پايا در نظر گرفته شده است. نتايج اين مطالعه نشان مي‌دهد كه طبيعت جريان قوياً به آرايش استوانه‌ها و عدد رينولدز بستگي دارد.
برگلين و ديويس11 جريان روي يك دسته لوله با آرايش غيرهم‌رديف را به روش تفاضل محدود بررسي نموده است]6[. در اين مطالعه جريان دوبعدي در نظر گرفته شده است. براي حصول نتايج دقيق‌تر و براي تعيين حل مستقل از شبكه‌بندي، محاسبات با شبكه‌بندي‌هاي مختلف انجام شده است. نتايج براي توزيع ميدان سرعت براي لوله اول و براي يك دسته لوله هفت تائي ارائه شده است.
در مقاله ديگر وونگ12 ]7[كه براي حل معادلات حركت و انرژي جريان عبوري از يك دسته لوله به روش تحليل محدود استفاده شده است، ضمن حل دوبعدي فرض شده كه لوله‌ها با فاصله‌هاي خاصي تكرار ميشوند لذا در ميدان محاسباتي فاصله‌اي براي بالادست اولين لوله و پائين دست آخرين لوله وجود ندارد. ‌بنابراين اگر تعداد لوله‌ها در همه ابعاد خيلي زياد باشد و ضمناً با توجه به فرض دو بعدي بودن، طول لوله‌ها هم خيلي زياد باشد جواب مناسب خواهد داد. آزمايشها براي اعداد رينولدز و پرانتل مختلف صورت پذيرفته است.
در مقاله قوش13 ]8[كه جريان سيال را به همراه انتقال حرارت روي يك دسته لوله با آرايش غير هم‌رديف به روش تفاضل محدود حل نموده است، با فرضيات مقاله وونگ يكسان است و فقط آرايش همخط را ندارد. لذا همان نكاتي كه در آن مقاله هم مطرح شده است. ضمناً آزمايشهايي توسط قوش براي اعداد رينولدز مختلف با فواصل گوناگوني از آرايش لوله‌ها انجام شده است.
در مقاله بيلي14 ]9[به بررسي عددي جريان و انتقال حرارت در يك مجموعه از لوله‌ها پرداخته شده است، او با استفاده از تئوري‌هاي موجود جوابي به شكل سري تواني بدست آورد، وي نتايج خود را با افت فشار و انتقال حرارت در شرايط متفاوت دمايي ارائه كرد.
بيلي و اسپالدينگ15 ]9[تحقيقات بيشتري بر روي جريان متقاطع به صورت آرام و انتقال حرارت در مبدل‌هاي حرارتي دسته لوله انجام شده و آنها توانستند نتايج در خور توجهي در آرايش‌هاي مربعي و مثلثي ارائه كنند. اما در طي سالهاي اخير نتايج سودمندي از انتقال حرارت اجباري بر روي دسته لوله‌ها بدست آمده است. احمد16 مطالعات عددي را در اين زمينه براي سيال هوا در عدد پرانتل 7/0 انجام داد]11[. همچنين در اين مورد نتياج قابل قبولي توسط لانگ و دارست و بروئر17 گزارش شده است]12[.
لاندر و ماسي18 نتايج عددي را براي تاثير افت فشار و مشخصات انتقال حرارت بر روي دسته لوله‌هاي مثلثي گزارش دادند]13[. اين داده‌ها به طور كاملاً مشابهي بر نتايج برگلين و براون19 در محدوده 75 ? Re ? 50 صحه گذاشت]14[. وونگ و چن20 معادلات انرژي و ناوير استوكس و همچنين مشخصه‌هاي افت فشار و انتقال حرارت را براي يك سيال تراكم ناپذير بر روي دسته لوله‌ها با دو آرايش مثلثي و مستطيلي در محدوده 800، 400، 120، 40، =Re و 10، 1، 1/0=Pr بررسي كردند. آنها عنوان كردند كه عدد ناسلت متوسط تابعي از اعداد رينولدز و پرانتل است و در ادامه تابعي به صورت Pr? .Re? پيشنهاد دادند كه محدوده توان‌ها را به صورت 45/0 ??? 4/0 و 38/0??? 37/0 مشخص كردند.
اما در سال 1998 مارتين، سالتيل و شيي21 به بررسي عددي افت فشار و همچنين انتقال حرارت بروي دسته لوله‌هاي مثلثي و مربعي در محدوده 160?Re? 3 پرداخته اند]16[. آنها همچنين به تاثير شرايط مرزي در دو حالت شار ثابت و دما ثابت همت گماردند. آنها متوجه شدند كه عدد ناسلت متوسط در حالت شار ثابت بيشتر از حالت دما ثابت است كه علت را وابسته به آرايش لوله‌ها و عدد رينولدز مربوط كردند.
2-2-جريان سيالات غيرنيوتني روي دسته لوله
به علت گرانروي زياد سيالات غيرنيوتني، اين مواد در بيشتر موارد تحت شرايط جريان آرام جريان دارند. ضمناً تنش برشي در اين نوع سيالات نيز زياد بوده و لذا اتلاف لزجتي22 را در حركت سيالات غيرنيوتني به ندرت مي‌توان ناديده گرفت. وابستگي دمايي خواص رئولوژيكي سيالات غيرنيوتني نيز به پيچيدگي معادلات انرژي، معادله حركت و معادله پيوستگي اضافه مي‌كند. از اينرو در برخورد با اين نوع سيالات، از فرضهاي ساده كننده بيشتري استفاده مي‌كنند. در اكثر مطالعات و بررسي‌هاي اوليه كه بصورت نظري انجام گرفته، خواص فيزيكي سيال را ثابت در نظر گرفته شده و همينطور از تأثير دما روي خواص رئولوژيكي سيال چشم پوشي شده است. همچنين در بررسي‌هاي اوليه عبارت اتلاف حرارتي كه حل مساله را مشكل مي كند را حذف نموده‌اند.
آدامز و بل23 انتقال حرارت براي دسته لوله‌هاي گرمايشي و سرمايشي با سيال غيرنيوتني CMC24 در يك محدوده گسترده عدد رينولدز و پرانتل را بررسي و شاخص JH بعنوان تابعي از عدد رينولدز و نوع چيدمان لوله‌ها بيان نموده‌اند.
بروشكه و ادواني25 پديده انتقال حرارت سيال قاعده تواني با مقادير متوسط رينولدز با جريان خزشي روي دسته لوله با رديف‌هاي پشت سر هم و جا به جا شده با گام‌هاي طولي زياد را مورد بررسي قرار داده‌اند.
در مقاله شيبا، اسواران و چابرا26 انتقال حرارت سيال قاعده تواني با تنش برشي بر روي دسته لوله‌ها مطالعاتي را انجام دادند.
خان، كلهام و يوانوويچ27 بررسي انتقال حرارت از روي لوله در يك جريان آرام به صورت متقاطع و شرايط همدما را مورد مطالعه قرار دادند.]20[ براي محاسبه انتقال حرارت از لوله‌ها براي محدوده مختلفي از پارامترها از جمله گام طولي، گام عرضي و اعداد رينولدز 40000?Re? 10و عدد پرانتل 71/0 ?Pr همّت گماردند.
مانگادودي، پراكاش و چابرا28 به تحليل عددي انتقال حرارت اجباري سيال قاعده تواني از روي دسته لوله‌اي كه از داخل استوانه عبور مي‌كند پرداختند]21[ . اين مطالعه معادلات انرژي و مومنتوم از به صورت عددي حل شده تا ارتباط عدد ناسلت، پكلت و رينولدز و همچنين شاخص‌هاي سيال قاعده تواني در جريان مشخص گردد و شرط مرزي شار ثابت در تمام مشخصّه‌هاي انتقال حرارت مورد بررسي قرارگرفت، آنان بطور كلي نتيجه گرفتند كه مقدار عدد ناسلت در شار حرارتي ثابت اگرچه شديداً وابسته به مقادير رينولدز، پكلت و شاخص‌هاي سيال قاعده تواني دارد و همچنين برش رقيق سبب افزايش شديد مقدار انتقال حرارت مي‌شود و مقدار آن با بالا رفتن مقادير رينولدز و يا پكلت افزايش پيدا مي‌كند.
در پايان نامه حاضر به بررسي عددي جريان سيال غير نيوتني قاعده تواني و تأثير گام طولي و عرضي بر روي عملكرد مبدل حرارتي در شرايط مرزي دما ثابت با استفاده از پارامترهاي مدل‌سازي شده تجربي با رفتار رئولوژيكي مناسب براي سيال پرداخته است. جريان سيال به صورت تراكم‌ناپذير و دوبعدي درنظر گرفته شده است و پروفيل سرعت به صورت سهموي و درجه حرارت در ورودي يكنواخت بوده و ديگر فرضيات مساله آرام بودن مي‌باشد. همچنين سعي شده كه پارامترهاي مؤثر بر ميزان انتقال حرارت و افت فشار و پارامترهاي رئولوژيكي سيال غيرنيوتني مثل شاخص رفتار سيال قاعده تواني بر روي پديده هيدروديناميكي و تبادل گرما در سيال مورد بررسي قرار بگيرد.
فصل سوم:
انواع و مشخصات سيالات غيـرنيوتني
در طول ساليان اخير، صنايع غذايي، دارويي و شيمياي براي رفع نيازهاي بشر، توسعه روز افزوني يافته‌اند. در فرآيند توليد محصولات در اين صنايع، عموماً با سيالات جديدي سروكار دارند كه رفتار برشي آنها را با استفاده از روابط مربوط به سيالات نيوتني نمي‌توان بررسي نمود. از طرفي شمار زيادي از سيالاتي كه در صنعت كاربرد داشته و داراي مشخصه “برش رقيق29” و “برش غليظ30” مي باشند، سيال قاعده تواني ناميده مي‌شود. تعدادي از اين سيالات معروف در صنعت از قبيل پلاستيك‌هاي گداخته شده، پليمرها، جسم خمير مانند و غذاها، رفتار سيال غيرنيوتني از خود نشان مي‌دهند. فرآيندهاي انتقال حرارت در طيف وسيعي از كاربردهاي صنعتي (بيوشيميايي، صنايع غذايي، پليمر و …) وجود دارند.
مسائل مرتبط با سيال غيرنيوتني و انتقال حرارت آن در علوم مهندسي، از جمله در صنايع هوا و فضا، توربوماشين‌ها، مهندسي شيمي و پتروشيمي، مبدل‌هاي حرارتي، جريان سنج‌ها، علم شيمي، راكتورهاي شيميايي و راكتورهاي هسته‌اي نقش مهمي ايفا مي‌كند.
3-1-تعريف ويسكوزيته:
يك خاصيت رئولوژيكي اساسي سيال ويسكوزيته آن است. در يك جريان برشي ساده، ويسكوزيته به نسبت تنش برشي به شدت برش تعريف مي‌گردد:
(3-1)
براي سيالات تك فازي كه صرفاً شامل تركيباتي با وزن مولكولي پايين هستند ويسكوزيته مستقل از شدت برش بوده و فقط تابع فشار و دما است. در تمامي مواد خاص رئولوژيكي تابع فشار و دما مي‌باشند به عبارتي فشار و دما خود متغييرهاي مستقلي مي‌باشند كه ويسكوزيته سيال را تغيير مي‌دهند يعني:
(3-2)
3-2-سيال نيوتني
سيال نيوتني، سيالي است كه ويسكوزيته آن ثابت است و به عبارتي نسبت تنش برشي به شدت برش ثابت بوده و مستقل از نمي‌باشد.يعني تابع متغير مستقل ديناميكي نمي‌باشد.
طبق پيشنهاد نيوتن، رابطه عمومي بين تنش و مولفه‌هاي سرعت براي چنين سيالي عبارت است از:
(3-3)
شدت تغيير شكل معادله فوق به نام معادله رئولوژيكي حالت معروف است زيرا تمام اطلاعات مورد نياز مربوط به ماده را جهت يافتن معادلات ديفرانسيلي كه مي‌توانند تغيير شكل ناشي از هر نوع تنش يا كرنش خارجي را پيش بيني نمايند بدست مي‌دهد]2 [.
شكل(3-1)حركت برشي آرام بين دو صفحه موازي براي سيال نيوتني در حالت پايدار]2[


پاسخ دهید