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 موان

دسته بندی : No category

دیدگاهتان را بنویسید