انتقال حرارت همرفت اجباری
در کار حاضر انتقال گرمای همرفت اجباری - آزاد در یک کانال با سطح مقطع مستطیلی بصورت سه بعدی مورد تحلیل قرار گرفته‌است. کانال دارای کف با شار گرمایی ثابت بوده و وجوه کناری و سقف بصورت عایق درنظر گرفته شده‌اند. به منظور بررسی تأثیر حضور مکعبهای توپر فلزی بر روی کف به لحاظ انتقال گرما و افت فشار در حالت‌های مختلف سیستم پره گذاری، ضریب عملکردی تعریف گردیده‌است تا تأثیر هر دو پارامتر را بیان نماید.
مقدمه[ویرایش]
در بسیاری از پدیده‌ها بکارگیری انتقال گرمای اجباری-آزاد تأثیر بسزایی در تکمیل سازو کار سیستم دارد، که از آن جمله می‌توان به نقش آن در خشک کردن مواد غذایی، جمع‌کننده‌های خورشیدی، خنک کاری قطعات الکترونیکی و راکتورهای هسته ای و بسیاری موارد دیگر اشاره نمود. قطعات الکترونیکی بیشتر به دلیل محدودیت فضایی و نیز حضور منابع مختلف تولید گرما بر روی یک صفحه الکترونیکی از مهمترین مصارف صنعتی این بحث می‌باشند. با توجه به این نکته که ترکیبی از این دو سازوکار در بسیاری از قطعات صنعتی حکم فرماست، شناخت فیزیک این دو نوع پدیده همرفت و نیز نحوه تقابل این دو برای درک سازوکار غالب انتقال گرما ضروری به نظر می‌رسد.
افزایش انتقال گرما[ویرایش]
یکی از مهمترین روش‌های افزایش انتقال گرما، استفاده از سطوح گسترش یافته بصورت حجم‌های مشخص می‌باشد. تحقیقات گسترده‌ای بر روی این نوع از افزایش انتقال گرما در جریان‌های داخلی صورت گرفته‌است، اما عمده ی این بررسی‌ها در محدوده ای هستند که دو سازوکار انتقال گرما (آزاد و اجباری) را بصورت همزمان برای بازی کاری آنها نمی‌توان مشخص نمود، چرا که برای حضور هر دو نوع انتقال گرما می۔ بایست شرایط کاری در اعداد رینولدز پایینی بوده و این با توجه به سرعت پایین دمنده‌های نصب شده در قطعات الکترونیکی که قابلیت بالایی برای تولید سرعت بالا ندارند، بیشتر مورد توجه می‌باشد. یانگ و وفایی ادا در یک تحقیق عددی به بررسی تأثیر اندازه‌های متفاوت مکعبهای فلزی با فاصله گذاری‌های گوناگون برای بدست آوردن یک چیدمان بهینه پرداخته‌اند. بررسی ایشان برای یک کانال مستطیلی دو بعدی با شرط مرزی شار گرمایی ثابت برای کف و عایق برای سقف بوده که حضور مؤلفه‌های نوسانی سرعت و عدد توسلت به دلیل حضور هر دو نوع انتقال حرارت به ثبت رسیده‌است. چنگ و هوانگ در یک کار مشابه نشان دادند که افزایش انتقال گرما توسط سطوح گسترش یافته به دلیل افزایش سطح انتقال گرما و نیز تغییر در میدان سرعت و خطوط جریان سیال می‌باشد. کوریچی و اوفر یک کانال مستطیلی دو بعدی را با دو مکعب فلزی در کف و یک مکعب در سقف باشار گرمایی ثابت در دو دیواره را بصورت عددی شبیه‌سازی نمودند. بررسی جابجایی مکعب‌ها ضریب رسانش گرمایی مکعب‌ها در اعداد رینولدز متفاوت توسط ایشان صورت گرفت و تغییر میدان جریان از یک حالت دائم به غیر دائم در اعداد رینولدز پایین از جمله نتایج حضور انتقال گرمای ترکیبی در کار آنها محسوب می‌شود. دوگان و سویراگلو در یک کار تجربی در یک کانال مستطیلی با شار گرمایی ثابت برای کف کانال و عایق برای سایر دیوارها انجام داده‌اند. ایشان تأثیر حضور مکعب‌ها در فواصل و اندازه‌های گوناگون را بررسی نموده و یک چیدمان بهینه برای افزایش انتقال گرما در اعداد رینولدز پایین در گستره ای از اعداد رایلی ارائه نمودند. آن ولی برای اولین بار حضور مکعبهای عایق جدا از سطح در یک کانال مستطیلی با شار گرمایی ثابت را بررسی نمودند و نشان دادند که گردابه تولید شده در فاصله بین مکعب و سطح با شار حرارتی ثابت عامل اصلی افزایش انتقال گرما موضعی می‌باشد، ولی در مجموع باعث افزایش افت فشار و پایین آمدن گرمای دفع شده از کل سطح در مقایسه با حالت مکعبهای چسبیده به سطح می‌گردد. در واقعیت نیز می‌بایست یکسری میله‌هایی جهت دور نگه داشتن مکعب‌ها از کف در نظر گرفت که ممکن است بر روی میدان جریان سیال نیز تأثیر گذارد. مطالعات گسترده دیگری نیز بر روی مکعبهای فلزی انجام گرفته‌است که عمده آنها تلاش برای بررسی چگونگی افزایش انتقال گرما بوده و به ندرت به میزان افت فشار توجه نموده‌اند. کارهایی نیز در زمینه تأثیر حضور یک یا چند مانع بر روی مکعبهای چسبیده به کف صورت گرفته‌است. وو و پرنگ در یک بررسی عددی نشان دادند که حضور یک صفحه با زوایای مختلف بالای مکعبهای فلزی، افزایش قابل ملاحظه گرما را به همراه داشته ولی باعث مغشوش شدن هر چه بیشتر جریان می‌شود، گوریچی و همکاران در یک هندسه مشابه، با قرار دادن تعداد متعددی از صفحه‌های مورب با زوایای گوناگون در سقف به بررسی افزایش انتقال گرما در محدوده جریان آرام همراه با سازوکار انتقال گرمای مختلط پرداختند. با وجود اثبات یک زاویه و اندازه مناسب جهت افزایش انتقال حرارت، هیچ بحثی در مورد میزان افت فشار صورت نگرفته. است. بررسی‌های زیاد دیگری نسبت به نصب صفحه‌های مورب صورت گرفته که تأکید بر افزایش انتقال گرما داشته‌اند. پرومونگ و همکاران میزان افت فشار و انتقال گرما را برای مقدار بهینه فاصله گذاری و طول مناسب پره‌های مورب 45 و 30 درجه را بصورت جداگانه بدست آورده‌اند. آنها در کار خود یک ضریب عملکردی تعریف نمودند که بصورت میزان انتقال گرما به افت فشار بی بعد شده محاسبه می‌شود. همچنین میزان تأثیر افت فشار و انتقال گرما در تعریف ضریب عملکرد بصورت یکسان در نظر گرفته نشده‌است و افت فشار در توان 13 می‌باشد. در عمده کارهای صورت گرفته، بر میزان افزایش انتقال گرما تأکید داشته‌است، حال آنکه افزایش افت فشار حاصل از افزایش انتقال گرما می‌بایست کاملاً اقتصادی و به صرفه گردد، که این منوط به بررسی ضریب عملکرد می‌باشد. همچنین شکل‌های بررسی شده بصورت محدود می‌باشد. در کار حاضر پس از تعریف ضریب عملکرد، پروفیل‌های متعددی شامل مثلثی، سهموی، نیم دایره ای، نیم بیضی و مربعی را در حالت سه بعدی مورد بررسی قرار گرفته‌است. همچنین طول ورودی سیستم پرہ‌های مکعبی و زاویه برخورد جریان سیال با آن (زوایای پروفیل مربعی با کف) برای نخستین بار بررسی گردیده‌است. چیدمان طولی و عرضی نیز همانند کارهای انجام شده ی قبلی برای پروفیل مربعی بهینه شده‌اند.
روش حل عددی[ویرایش]
معادلات حاکم بر انتقال سیال و گرما با توجه به شرایط مرزی توسط روش حجم محدود حل شده‌اند. الگوریتم سیمپلر که توسط پاتانکار توسعه یافته، مورد استفاده قرار گرفته‌است، از تفاضل مرکزی برای گسسته سازی عبارت‌های لزجتی و برای عبارت‌های جابجایی از روش فراباد با دقت مرتبه دو بهره گرفته شده‌است. سلولهای انتخابی در کارهای عددی عمدتاً بصورت مثلثی و یا مربعی می‌باشد. در کار حاضر سلول‌ها بصورت حجم‌های مکعبی (سازمان یافته) و شش پهلو (بی سازمان) در نظر گرفته شده‌اند. عموماً سلولهای بی سازمان علاوه بر راحتی ایجاد و استفاده، قابلیت بالایی را در پر کردن کلیه ی فضاها بخصوص مناطق مرزی را دارا هستند. سلولهای با سازمان نیز دارای قابلیت بالایی در تبادل اطلاعات موجود بین سلول‌ها هستند. در کار حاضر به منظور بهره‌گیری از مزیت‌های هر دو نوع سلول، از سلول بندی پیوندی در نرم افراز گمبیت استفاده شده‌است. جهت بررسی استقلال شبکه از تعداد سلول انتخابی، عدد نوسلت متوسط کف برای تعداد سلولهای ۲۰۰۰، ۳۰۰۰ و ۴۰۰۰ درنظر گرفته شده‌است. نتایج برای شبکه بندی ۳۰۰۰ و ۴۰۰۰ کاملاً در نزدیکی همدیگر بوده و این نشان دهنده عدم وابستگی مسئله به تعداد سلول انتخابی می‌باشد.
نتایج عددی[ویرایش]
نتایج حاصل از حل عددی توسط نرم‌افزار فلوئنت در پنج بخش مجزا شامل موارد زیر می‌باشند:
- اعتبارسنجی حل عددی
- بررسی طول ورودی پره گذاری
- زاویه تماس پره‌ها با جریان هوا
- چیدمان طولی و عرضی پره‌ها
- شکل پروفیل پره‌ها
بررسی طول ورودی پره گذاری[ویرایش]
می‌توان دریافت که هرچه سیستم پره گذاری دورتر از ورودی سیال به کانال باشد، ضریب عملکرد بالاتر خواهد بود. وجود پره‌های مکعبی به ازای جمیع حالتها افت فشار کمتری نسبت حالت بدون پره دارند. این امر به دلیل محبوس شدن گردابه‌ها در بین پره‌ها می‌باشد، به طوری که گردابه‌های تولیدی نمی‌توانند به داخل جریان نفوذ پیدا کنند و در نتیجه آن بخش از کانال، با گردابهی کمتری جریان را از خود عبور می‌دهد و موجبات پایین آمدن افت فشار می‌گردد. چون سیال نزدیک ورودی دمای کمتری نسبت به سیال خروجی دارد، لذا گردابه‌ها عموماً در همه جا به جز ابتدای کانال می‌توانند تشکیل شوند. حضور مکعبهای فلزی در پایین دست ورودی کانال مانع حضور گردابه‌ها در جریان اصلی می‌شوند؛ بنابراین هرچه سیستم پره گذاری دورتر از ورودی قرار بگیرد، جریان با افت فشار کمتری روبرو می‌شود. البته افزایش انتقال گرما به دلیل عدم توسعه لایه مرزی در قسمت‌های ورودی کانال امری حتمی می‌باشد، چرا که سیال هنوز به لحاظ گرمابی و هیدرودینامیکی توسعه نیافته بوده و پره‌ها حرارت بیشتری را مبادله می‌نمایند. کاهش افت فشار نسبت افزایش انتقال گرما در سیستم پره گذاری دوردست ورودی، از تأثیر بالایی برخوردار است.
زاویه تماس پره‌ها با جریان هوا[ویرایش]
پروفيل مکعبی با زاویه تماس ۷۵ درجه بالاترین ضریب عملکرد را داراست. پروفیل‌ها با زاویه تماس نزدیک ۹۰ درجه، دارای ارتفاع بیشتری از کف بوده و در نتیجه سرعت هوای عبوری از بالای پره‌ها بیشتر از سایر زوایا خواهد بود (سطح مقطع کم برای جریان عبوری در ارتفاع زیاد پروفیل)، که مانع از حضور گردابه‌ها به داخل جریان اصلی می‌گردد. همچنین این گردابه‌های بین مکعب‌ها، یکی از عوامل انتقال گرما از کف به جریان می‌باشند که در صورت عدم حضور در جریان اصلی، نمی‌توانند حرارت را به خوبی از کف دفع نمایند. ولی در زوایای کمتر از ۹۰ درجه جریان سیال اصلی می‌تواند خود را به داخل موانع رسانده و باعث جدا شدن گردابه‌های محبوس شوند؛ بنابراین داشتن یک ضریب عملکرد در نزدیکی ۹۰ درجه دور از انتظار نخواهد بود.
تغییر شکل پروفیل پره‌ها[ویرایش]
در این بخش با ثابت نگه داشتن مساحت بیرونی کل پره‌ها (مساحتی که انتقال گرما از آن صورت می‌گیرد) و نیز نسبت انسداد (نسبت ارتفاع هر پره به ارتفاع كانال) برای یک مکان ثابت و با تعداد پره‌های ثابت، شکل پروفیل پره‌ها را عوض می‌نماییم. برابر بودن نسبت انسداد بیان می‌دارد که سیال در هنگام ورود به کانال، سطح یکسانی را خواهد دید و هیچگونه احساسی نسبت به موانع پیش رو ندارد. بدین صورت که اشکال مستطیل، نیم دایره، نیم بیضی، مثلث و سهمی مورد مطالعه قرار می‌گیرند. پروفیل با مقطع مثلثی ضریب عملکردی در حدود ۳ تا ۴ برابر سایر پروفیل‌ها دارد. مزیت اصلی پروفیل مثلثی نسبت به سایر انواع پروفیل‌های اجازه دادن به جریان اصلی سیال برای ورود به مابین پره‌ها می‌باشد. بدین ترتیب وضعیت مناسب انتقال گرما ثابت می‌شود. از طرفی پروفیل مثلثی به دلیل فاصله زیاد بین پره‌ها نسبت به سایر پروفیل‌ها در شرایط یکسان، توانایی بازیافت فشار را در حدفاصل بین پرده‌ها را داراست. در مجموع عوامل ذکر شده، باعث افزایش هرچه بیشتر ضریب عملکرد برای پروفیل مثلثی می‌گردد.
نتیجه نهایی[ویرایش]
در مطالعه حاضر به بررسی تأثیر پره‌های مکعبی بر روی سطح شار گرمایی ثابت در جریان داخل کانال مستطیلی شکل در حضور هر دو نوع همرفت (اجباری و آزاد) پرداخته شده‌است. حضور پره‌ها تأثیر قابل ملاحظه ای به لحاظ کاهش افت فشار داشته‌اند؛ زیرا گردابه‌های تشکیل شده در بین پره‌ها محبوس گردیده و نمی‌توانند خود را به جریان اصلی سیال برسانند. پره‌ها را با تغییر طول ورودی، تغییر زاویه تماس، تغییر فاصله‌های طولی و عرضی و نیز تغییر پروفيل مقطعها بررسی گردید. اغلب افزایش انتقال گرما موجب افزایش افت فشار نیز می‌گردد که چندان مطلوب نمی‌باشد، به همین دلیل ضریب عملکردی تعریف گردید تا هر دو پارامتر را بصورت همزمان بررسی نماییم. در بین حالات بررسی شده پروفیل مکعبی با زاویه تماس نزدیک ۷۵ درجه و نیز پره با پروفیل مثلثی بهترین حالت به لحاظ ضریب عملکرد را دارا هستند.
منابع[ویرایش]
This article "انتقال حرارت همرفت اجباری" is from Wikipedia. The list of its authors can be seen in its historical and/or the page Edithistory:انتقال حرارت همرفت اجباری. Articles copied from Draft Namespace on Wikipedia could be seen on the Draft Namespace of Wikipedia and not main one.
- ↑ [1] Teertstra. P. , Culham. J. R... Yovanovich. M. M. , "Comprehensive review of natural and mixed convection heat transfer models for circuit board arrays", Int. J. Electronics manufacturing, vol.7, Issue 6, pp.79-92, 1997. [2] Abdel. R. I. Nell. E. T. , "Mixed convection recirculation flow in a vertical single-rod channel connected to an upper plenum". Nuclear Engineering and Design, vol. 132, pp. 317338,1992. (3) Sparrow. E. M. , Chrysler. G. M. , Azevedo. L. F. , "Observed flow reversals and measuredpredicted Nusselt numbers for natural convection in a one-sided heated vertical channel", Int. J. Heat Transfer, vol. 106, pp. 325-332. ,1984. [4] Iannello. V. , Todreas. N. E. , "Mixed convection in parallel channels with application to the liquidmetal reactor concept", Nuclear. Sci. Eng, vol. 101, pp.315-329, 1989.
