بررسی جریان حول اجسام جریان بند

بخشی از فهرست مطالب پروژه بررسی جریان حول اجسام جریان بند

فصل اول: دیباچه

۱-۱- مقدمه

۲-۱-رفتار جریان روی موانع

۴-۱-تحریک لایه مرزی

۵-۱-تاریخچه مطالعات و تحقیقات انجام شده

۷-۱-هدف پروژه

فصل دوم: معادلات حاکم بر جریان

۱-۲-معادلات حاکم در جریان آرام

۲-۲-توصیف فرآیندهای سیال و ساده‌سازی آن‌ها

۳-۲-مفهوم جریان آرام

۴-۲-نیروهای برشی و فشاری

۵-۲- رابطه بین اصطکاک سیال و انتقال حرارت

۶-۲-مفهوم انفصال

۷-۲-طرح QUICK

۸-۲-انفصال معادلات حاکم

۱-۸-۲-انفصال جمله وابسته به زمان

۲-۸-۲- انفصال جملات جابه‌جایی

۳-۸-۲-انفصال جملات پخش

۴-۸-۲-ضرایب جبری معادله انفصال

۹-۲-شبکه جابه‌جا شده

۱۰-۲-الگوریتم سیمپل

فصل سوم: اجرای برنامه توسط نرم‌افزار Fluent

۱-۳- مقدمه

۲-۳-تولیدهندسه مسئله درنرم افزارGambit))

اجرای برنامهFluent) )

فصل چهارم: بررسی عملکرد برنامه و نتایج

۴- مقدمه

۱-۴- بررسی نتایج حاصل از هندسه اول

۱-۱-۴- بررسی توزیع عدد ناسلت موضعی در سطوح مختلف مانع مربعی

۲-۱-۴- بررسی تغییرات عدد ناسلت متوسط با افزایش عدد رنولدز روی سطوح مختلف مانع

۳-۱-۴- بررسی متوسط عدد ناسلت روی کل سطح مانع مربعی

۲-۴- بررسی نتایج حاصله از هندسه دوم

۱-۲-۴- بررسی کانتورهای جریان

۲-۲-۴- تأثیر فاصله مانع از دیواره کانال بر عدد ناسلت

۳-۲-۴- تأثیر افزایش عدد رینولدز بر ناسلت میانگین

۴-۲-۴- تأثیر مانع مربعی بر ضریب اصطکاک

۳-۴- بررسی نتایج حاصله از هندسه سوم

۱-۳-۴- بررسی تغییرات عدد ناسلت بر افزایش عدد رینولدز در نسبت‌های   متغیر

۲-۳-۴- بررسی تغییرات عدد ناسلت متوسط بر حسب تغییر فاصله بین دو مانع

۳-۳-۴- مقایسه ضریب درگ و برا برای موانع مربعی

۴-۳-۴- تأثیر افزایش فاصله موانع بر ضریب درگ

۴-۴- جمع‌بندی و نتایج

۵-۴- پیشنهادات و کار های آینده

۶-۴- فهرست مراجع

۱-۱- مقدمه
بیش ازیکصدسال پیش تا کنون جریان حول اجسام جریان بند ( مانع) با سطح مقطع دایره ای ومربعی، توجه بسیاری ازمحققین را به خودجلب کرده است. موضوع جریان حول این اجسام وپدیده پخش گردابه ناشی ازآن به خاطر وجودکاربردهای عملی درمهندسی ازاهمیت زیادی برخورداراست ؛ ازجمله کاربردهای عملی این نوع جریان ها، می توان به جریان حول دودکش ها ، ساختمانها وسازه های بلند، سازه های دریایی، پلهای معلق، بال هواپیما، پروانه کشتی ودکل ها وبسیاری ازموارددیگراشاره نموداین نوع جریان اغلب شامل پدیده های پیچیده ای ازقبیل جدایش جریان ، ویک، جریان های برشی ، جریان گردابه ای وپخش گردابه هستند. دراعداد رینولدزبسیارکم ، جریان حول این گونه اجسام کاملا" به آنها چسبیده وجدایش رخ نمی دهد باافزایش عددرینولدز، جریان ازسطح آنها جدا شده ویک جفت گردابه متقارن درپشت آنها تشکیل می شودکه با افزایش عددرینولدز،ابعادگردابه ها نیزبزرگترمی شود. با افزایش بیشترعددرینولدزگردابه ها حالت نوسانی پیدا کرده ودرجریان پخش می شوددراین حالت جریان ازحالت دائم به حالت غیردائم تبدیل می شود. درحالیکه این گونه هندسه ها ازلحاظ مکانیک سیالات به طور وسیعی توسط محققین بررسی شده اند مساله انتقال حرارت دراین هندسه ها به آن گستردگی بررسی نشده ونیازمند مطالعات بیشتری است، لذا سعی شده است دراین تحقیقات بیشتربه جنبه انتقال حرارتی این گونه هندسه ها توجه گردد
۲-۱-رفتار جریان روی موانع
هنگامی که فشار در پایین دست جریان افزایش می‌یابد، ضخامت لایه مرزی به سرعت زیاد می‌شود. این گرادیان معکوس و نیروی برشی مرزی باعث کاهش اندازه حرکت در لایه مرزی خواهد شد و اگر هر دو عامل فوق در طول قابل توجهی از مسیر مؤثر باشند، سبب توقف لایه مرزی می‌شوند که این پدیده را جدایش می‌نامند. خطوط جریان مرزی در نقطه جدایش از مرز مربوطه جدا می‌شوند و در پایین دست این نقطه گرادیان فشار معکوس باعث برگشت جریان در مجاورت جداره می‌شود. ناحیه پایین دست خطوط جریان که از مرز جدا می‌شود موسوم به جریان برگشتی است. اثر جدایش، کاستن از مقدار خالص کاری است که یک جزء سیال می‌تواند بر سیال احاطه کننده خود با صرف نیروی جنبشی انجام دهد و در نهایت بازیافت فشار کامل نبوده و اتلافات (کشش) نیز افزایش می‌یابد.
همان گونه که می‌دانیم نیروهای کشش و برآ دو مولفه دارند نیروی کشش ناشی از شکل و نیروی کشش ناشی از اصطکاک پوسته‌ای و یا نیروی کشش لزجتی. جدایش وجریان برگشتی که دو پدیده همراه هستند تأثیر عمیقی بر نیروی کشش ناشی از شکل دارند. اگر بتوان از تولید جدایش در هنگام عبور جریان از روی یک جسم جلوگیری کرده، لایه مرزی نازک باقی خواهند ماند و از کاهش فشار در ناحیه برگشتی جلوگیری خواهد شد و بدین وسیله نیروی کشش فشاری به حداقل مقدار خواهد رسید.?۱?
ماهیت‌های لایه‌های مرزی آرام- درهم نیز تأثیر مهمی بر موقعیت نقطه جدایش دارند در لایه مرزی درهم که انتقال اندازه حرکت بزرگ‌تر است برای ایجاد جدایش باید گرادیان فشار معکوس بیشتر از لایه مرزی آرام باشد. به عنوان مثال رفتار جریان بر روی سیلندر استوانه‌ای در اعداد رینولدز بسیار کم جریان بدون آن که از روی استوانه جدا شود و تشکیل گردابه دهد از روی آن عبور می‌کند. در مقادیر رینولدز پایین جدایش در لایه مرزی آرام اتفاق می‌افتد و یک جفت گردابه به صورت متقارن در پشت مانع تشکیل می‌شود. با افزایش عدد رینولدز رها شدن متناوب گردابه در پشت مانع به وجود می‌آید و خیابان گردابه‌ای ون‌کارمن در پشت استوانه شکل می‌گیرد و سبب افزایش فشار منفی در پشت مانع می‌شود. در عدد رینولدز زیر بحرانی فرکانس رهایی گردابه‌ها مستقل از عدد رینولدز است. این فرکانس را با یک عدد بدون بعد به نام عدد اشتروهال نشان می‌دهند?۲?:
 
که در آن f فرکانس، d قطر استوانه و V سرعت جریان می‌باشد. با افزایش عدد رینولدز لایه مرزی آشفته می‌شود و جدایش در نقطه‌ای نزدیک‌تر روی استوانه اتفاق می‌افتد.
در این پروژه هندسه‌ای که مورد بررسی قرار گرفته مانع مربعی واقع در کانال می‌باشد که در حالتهای مختلف مورد بررسی قرار گرفته است.
۴-۱-تحریک لایه مرزی
در بیشتر کاربردهای مهندسی نیاز به افزایش و یا کاهش انتقال حرارت می‌باشد ولی مشکل اصلی در این موارد محدودیت کاهش یا افزایش سطح است. در چنین مواردی راه‌حل مناسب ایجاد تغییرات در ضریب انتقال حرارت است. ضریب انتقال حرارت جابه‌جایی به خواص سیال و ویژگی‌های جریان سیال بستگی دارد. در خیلی از موارد نوع سیال قابل تغییر نیست و تنها عاملی که می‌تواند برای کنترل انتقال حرارت به کار رود ویژگی‌های سیال می‌باشد. همان طور که می‌دانیم به علت وجود لزجت در کنار سطح جامد لایه مرزی تشکیل می‌شود. این لایه نقش یک لایه مقاوم در برابر انتقال  حرارت را ایفا می‌کند. با تغییراتی جریان درون لایه مرزی می‌توان ضریب انتقال حرارت را تغییر داد.
روش‌های متعددی برای ایجاد این تغییرات مورد آزمایش و تحقیق قرار گرفته است و نتایج مختلفی حاصل گردیده است. مجموعه این تحقیقات با نام تحریک لایه مرزی شناخته می‌شود. از جمله پارامترهای مهم دیگری که از تحریک لایه مرزی برای ایجاد تغییرات در آن بهره‌گیری می‌شود، ضریب اصطکاک   می‌باشد.
اساس تحریک لایه مرزی بهره‌گیری از پدیده‌های مختلف سیالاتی نظیر نقطه سکون، گردابه جدایش لایه مرزی، ایجاد جت سیال درون لایه مرزی و … می‌باشد. با استفاده از این پدیده‌ها الگوی جریان درون لایه مرزی به هم خورده و ضخامت لایه مرزی تغییر می‌کند. یک روش عمده برای ایجاد این پدیده‌ها استفاده از موانع خارجی درون لایه مرزی و یا ایجاد برجستگی‌ها و فرورفتگی‌ها بر روی خود سطح می‌باشد. بسته به هندسه مورد استفاده می‌توان یک یا ترکیبی از این پدیده‌های سیالی را به وجود آورد. هر یک از این پدیده‌ها اثر خاصی بر میزان ضریب انتقال حرارت، ضریب درگ مانع و هم‌چنین صفحه‌ای که مانع بر روی آن قرار گرفته است. ?۱?
در زمینه استفاده از موانع برای تحریک لایه مرزی تحقیقات چندی صورت گرفته است. در برخی از تحقیقات سعی شده است با تغییر الگوی جریان در پشت موانع که معمولا با تولید گردابه می‌باشد ضریب انتقال حرارت و یا ضریب درگ مانع و هم‌چنین صفحه‌ای که مانع بر روی آن قرار گرفته تغییر داده شود.
در این پروژه با قرارگیری یک مانع مربعی در فواصل مختلف از دیواره یک کانال، روند تغییرات عدد ناسلت، ضریب درگ، اصطکاک موضعی و سایر پارامترهای مؤثر بررسی می‌گردند. در ادامه تاریخچه‌ای از این مطالعات آورده می‌شود.
۵-۱-تاریخچه مطالعات و تحقیقات انجام شده 
جریان بروی موانع داخل کانال موردتوجه بسیاری ازمحققین درزمینه های مختلف مهندسی می باشد.تحقیقات انجام شده شباهتهایی مابین جریان حول یک جسم جریان بندوحول دوجسم جریان بندپشت سرهم راگزارش می نماید.دراین نوع جریان ها علاوه برتاثیرعددرینولدز،نقش فاصله موانع ازدیواره های کانال وازهم برپیچیدگی های جریان می افزاید. لذا دراین گزارش سعی شده پاره ای ازتحقیقات انجام شده دراین زمینه رابیان نماییم.
کلکاروپاتنکار] ۳ [ درسال ۱۹۹۲جزواولین محققانی بوده اندکه مساله انتقال حرارت جابجایی اجباری خالص را درهندسه یک مانع مربعی وسط کانال بررسی کرده اند.نتایج آنها نشان می دهد علارقم تفاوت قابل ملاحظه درمیدان دما درجریانهای دائمی وغیردائمی این هندسه، ضریب انتقال حرارت کلی دراین دونوع جریان، تفاوت چندانی ندارد.
سوزوکی وهمکارانش ] ۴[ درسال ۱۹۹۴ جریان آرام داخل کانال با یک مانع مربعی نصب شده دروسط کانال همراه با انتقال حرارت را بصورت عددی مورد بررسی قرار داده اند. آنها نشان داده اندکه جریان غیردائمی که درپشت مانع ایجادمی شودتاثیرقابل ملاحظه ای برانتقال حرارت ازدیواره های کانال برجای می گذارد.
ترکی وهمکارانش ] ۵[ درسال۲۰۰۳ جریان دوبعدی آرام همراه باانتقال حرارت درداخل یک کانال با یک مانع مربعی وسط کانال راموردبررسی قرار داده انددراین بررسی دونسبت انسداد۲۵درصد۵/۱۲درصددرنظرگرفته شده واثرجابجایی آزاد درسرعتهای پایین نیزبررسی شده است آنها نشان داده اندکه برای عددریچاردسون کمتراز۰۵/۰می توان انتقال حرارت جابجایی اجباری رابه عنوان تنها مکانیزم انتقال حرارت دراین مساله درنظرگرفت همچنین نتایج حاصله ازتحقیقات آنها که بصورت منحنی های عددناسلت موضعی ومتوسط بیان شده است نشان گرتاثیرعددرینولدزبرانتقال حرارت ازاستوانه دما ثابت می باشد.
اورتگا (Ortega) و همکارانش در سال ۲۰۰۰ جریان آرام ناپایدار را درعبور از موانع مربعی واقع در کانال بررسی نمودند. ایشان عدد ناسلت متوسط و هم‌چنین خواص ایرودینامیکی مانند ضریب درگ، ضریب فشار و عدد اشتروهال را محاسبه کرده و به این نتیجه رسیدند که عدد ناسلت و اشتروهال با نزدیک شدن مانع به دیواره‌های کانال کاهش می‌یابند. ?۶?
بتچرایا (Bhattacharyya) و  میتی (Maiti) در سال ۲۰۰۴ جریان اطراف یک مانع مربعی را که موازی با دیواره و در داخل لایه مرزی قرار گرفته بود را مورد بررسی قرار داده‌اند. در این تحقیق جریان آرام (Re=1400) فرض شده و سیلندر در فواصل مختلف از صفحه واقع شده است. نتایج حاکی از کاهش عدد اشتروهال و افزایش نیروی درگ با کاهش فاصله مانع تا صفحه است. ?۷?
رُی (Roy) و همکارانش در سال ۲۰۰۴ جریان تراکم‌ناپذیر آرام در اطراف یک سیلندر مربعی واقع در مرکز کانالی را برای رینولدزهای مختلف (۱۵۰، ۳۰۰ و ۱۵۰۰) انجام دادند. در این تحقیق با افزایش فاصله دیواره‌ها از مانع مشاهده کردند که ضریب درگ نیز افزایش می‌یابد. ?۸?
همچنین در دانشگاه فردوسی مشهد کهرم و علی فرهبد در سال ۱۳۸۲ با استفاده از کد teach-T تغییرات ضریب انتقال حرارت نسبت به فاصله مانع مربعی از صفحه را بررسی نمودند. این مطالعه بیانگر افزایش ضریب انتقال حرارت باکاهش فاصله مانع تا صفحه است. در این تحقیق جریان پایدار و عدد رینولدز ۱۰۶ بوده است. ?۹?
از دیگر مطالعات انجام شده در دانشگاه فردوسی مشهد می‌توان به مطالعات کهرم و خاکپور در سال ۱۳۸۴ اشاره کرد که با استفاده از کد teach-T جریان مغشوش، اثر تحریک لایه مرزی توسط سیلندر مربعی بر ضریب انتقال حرارت و ضریب اصطکاک جریان ناپایدار روی صفحه تخت  را مورد بررسی قرار داده و نتایج خود را با نتایج تجربی مقایسه کردند. ?۱۰?
تاتسوتانی وهمکاران در سال۱۹۹۳ جریان ناپای دوبعدی غیرقابل تراکم حول دوسیلندر مربعی درحالت پشت سرهم دریک کانال با نسبت انسداد ۲۰ درصد رابه دوروش عددی وآزمایشگاهی مطالعه کردند آنها تاثیر فاصله بین سیلندرها بررفتار جریان رادراعداد رینولدزمابین ۲۰۰ تا ۱۶۰۰ رابررسی کردند. نتایج این تحقیق نشان داد که برای اعداد رینولدزکمترویا مساوی۲۰۰ وفاصله بین سیلندری ما بین ۲۵/۰ و۴ یک جفت گردابه دائم مابین سیلندرها تشکیل شده وپدیده پخش گردابه فقط ازسیلندرپایین دست صورت می پذیرد.  ?11?
والنسیادر سال ۱۹۹۸جریان وانتقال حرارت ازدو مانع مربعی پشت سرهم دریک کانال را شبیه سازی عددی نمود.نتایج این تحقیقات نشان داد که وجودموانع مربعی دربرابر جریان،باعث افزایش ضریب اصطکاک شده وافت فشاررا هم افزایش می دهد.همچنین نتایج تحقیق اونشان داد که افزایش فاصله بین سیلندری، باعث افزایش عددناسلت روی دیواره های کانال می شود. ?۱۲?
 
۷-۱-هدف پروژه
بر اساس مباحثی که در فصول آینده آورده شده است هدف از انجام این پروژه، بررسی تحریکی مانع دوبعدی مربعی بر عدد ناسلت، میزان انتقال حرارت ،ضرایب درگ وبراوضریب اصطکاک،تاثیر تغییرات فاصله مانع از دیواره کانال بر میزان انتقال حرارت و هم‌‌چنین اثر تغییرات عدد رینولدز بر این ضرایب‌ می‌باشد.
با توجه به نوع پدیده و عدد رینولدز جریان معادلات جریان در شکل ناپایدار و لزج غیرقابل تراکم و در دستگاه مختصات کارتزین دو بعدی بررسی شده‌اند.
نهایتا به مقایسه نتایج یافته شده در این پروژه با نتایج کارهای عددی انجام شده برای اطمینان از صحت این نتایج می‌پردازیم….

بخشی از منابع و مراجع پروژه بررسی جریان حول اجسام جریان بند
]۱[  مکانیک سیالات-استریتر،وایلی،ترجمه مهندس ملک زاده،مهندس کاشانی حصار،نشرعلوم دانشگاهی-۱۳۷۱
[۲] Schlicting,H. Gersten,K,. "Boundry layer theory",8th Edition,springerverlag Berlin Heidl berg,2000
[۳] k.M.kelkar.S.V .patankar,"numerical perdiction of vortex shedding behind a square cylinder",Inter.j.Numerical Methods for fluids.14,pp 327-341.1997
[۴] k.suzuki,H.suzuki,"Unsteady heat transfer in a channel obstructed by an immersed body",Ann .Rev.Heat Transfer,5,pp,174-206,1994.
[۵] Turki ,S.,Abbassi,H.,"Two Dimensional Fluid Flow and Heat Transfer in a Channel with A Built in Square Cylinder",Int.J.Thermal sciences,42,PP.1105-1113.2003.
[۶] A.ortega ,J.L.rosales"A numerical investigation Of the convective heat transfer in unsteady laminar flow in a channel ",Vol.1,Heisphere,Newyork,2000.
[۷] battacharyya S. , M aiti D.k. ,"Shear flow past a square cylinder near a wall" , Indian in statute of Technology- kharagpur,2004.
[۸] R.L.Roy and R.T.Tatsutani " Numerical simulation of laminar and turbulent flows around a square cylinder "Int .J.Methods Fluids,Vol.15,pp.999-1012,2004.
]۹[ دکترکهرم، علی فرهبد"تحریک لایه مرزی توسط ترکیبی ازجت وویک واثرآن برضریب انتقال حرارت ازصفحه"، پایان نامه کارشناسی ارشد،دانشگاه فردوسی مشهد، تابستان ۱۳۸۲
]۱۰[ دکتر کهرم،خاکپور"اثرتحریک لایه مرزی توسط سیلندرمربعی برضریب انتقال حرار ت وضریب اصطکاک جریان ناپایدارروی صفحه تخت"و پایان نامه کارشناسی ارشد،دانشگاه فردوسی مشهد، ۱۳۸۴
[۱۱] Tatsutani,R.,Devarakonda,R."Unsteady flow and heat transfer for cylinder pairs in a channel ."Int.J.heat mass transfer,Vol.36,pp.311-3328-1993.
[۱۲] Valencia .A.,"Unsteady flow and heat transfer in a channel with a Built in tandem of rectangular cylinders " heat and mass transfer ,Vol.33.pp.465-470,1998.
[۱۳] okajima,A.,"Strouhal Number of rectangular cylinders,"J.Fluid Mech.123,pp,379-398,1982
]۱۴[انتقال حرارت-هولمن،ترجمه مهندس ملک زاده،مهندس کاشانی حصار-انتشارات نما،۱۳۷۷ .
]۱۵[ محاسبات عددی –کامپیوتری انتقال حرارت وحرکت سیالات ،پتنکار.س،مترجم دکترمحمد مقیمان-انتشارات دانشگاه فردوسی مشهد،۱۳۸۱.
]۱۶[ دکترکهرم،خداداد زاده "اثرنسبت ابعادی یک مقطع مستطیلی برعدداشتروهال وتاثیرآن درتحریک لایه مرزی روی یک صفحه تخت"، پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه فردوسی مشهد،بهار۱۳۸۵.
[۱۷]N.Djilai",Forced laminar convection in An Array of stacked plates.
Numerical heat transfer,Part A,25 pp 393-108,1994.
[۱۸] Chia-hung,L.,and jerry M,"observations of Hysteresis in Flow around two square cylinders in a Tandem arrangement."J.Wind Eng.Int.Aerodyn.,Vol.92,pp.1019-1050,2002.