فایل مارکت

تحقیق مطالعه و بررسي جريان سيال و انتقال حرارت

فصل اول

مقدمه

1-1  جدايش جريان

محدوده مقادير لزجت در سيالات مختلف بسيار وسيع است. مثلاً لزجت هوا در فشارها و درجه حرارت­های معمول، نسبتاً کوچک است. اين مقدار كوچك لزجت در بعضی شرايط، نقش مهمی در توصيف رفتار جريان ايفا می­کند. يکی از اثرات مهم لزجت سيالات در تشکيل لايه­ مرزی[1] است.

جريان سيالی که بر روی يک سطح صاف و ثابت حرکت می­کند را در نظر بگيريد. به تجربه ثابت شده است که سيال در تماس با سطح به آن می­­چسبد (شرط عدم لغزش[2]). اين پديده باعث می­شود که حرکت سيال در يک لايه نزديک به سطح کند شود و ناحیه­ای به ­نام لايه ­­­مرزی بوجود می­آید. در داخل لايه مرزی سرعت سيال از مقدار صفر در سطح به مقدار کامل خود افزايش    می­يابد، که معادل سرعت جريان در خارج از اين لايه است. بعبارت ديگر، در لايه ­مرزي سرعت افقي در امتداد عمود بر سطح تغيير مي­كند، كه اين تغييرات در نزديكي سطح بسيار شديد است. يک نمونه از توزيع سرعت در لايه مرزی تشكيل شده بر روي سطح يك جسم در شکل 1-1 نشان داده شده است.

لايه ­مرزي نزديك يك صفحه تخت در جريان موازي با زاويه صفر نسبت به امتداد جسم،  بعلت اينكه فشار استاتيكي در كل ميدان جريان ثابت باقي مي­ماند، نسبتاً ساده است. از آنجا كه خارج از لايه­ مرزي سرعت ثابت باقي مي­ماند و همچنين به خاطر اينكه در جريان بدون اصطكاك معادله برنولي معتبر است، فشار نيز ثابت باقی خواهد ماند. بنابراين فشار در امتداد لايه ­مرزي هم اندازه با فشار در خارج از لايه ­مرزي، ولي در فواصل مشابه است. بعلاوه در فاصله x مشخص از ابتدای صفحه، فرض مي­شود كه فشار در امتداد ضخامت لايه ­مرزي ثابت باقي مي­ماند. اين اتفاق بطور مشابه براي هر جسمي با شكل دلخواه، زماني كه فشار خارج لايه ­مرزي در امتداد طول جسم تغيير كند نيز رخ مي­دهد. بعبارتي مي­توان گفت فشار خارجي بر لايه­ مرزي اثر مي­گذارد. بنابراين براي حالتي كه جريان عبوري از يك صفحه تخت داريم، فشار در سرتاسر لايه ­مرزي ثابت باقي    مي­ماند.

دو اثر بسيار مهم در جريان سيال، اثرات اينرسی و لزجت است. رابطه بين اين دو اثر با يکديگر مشخص کننده نوع جريان است. اين رابطه بصورت پارامتر بدون بعد Re يا عدد رينولدز که برابر با اندازه نسبت نيروهای اينرسی به لزجتي است، تعريف می­شود. نسبت نيروی اينرسی به نيروی لزجت براي يك المان سيال با بعد سطح، به وسيله رابطه زير که همان عدد رينولدز است تعريف می­شود:

(1-1)

بنابراين وقتي عدد رينولدز بزرگ است، اثرات اينرسي حاکم می­شود و زماني که کوچک است، اثرات لزجت قوی­تر است. شايان ذکر است که مفهوم عدد رينولدز در رابطه با مرزها که بر جريان اثر می­گذارد، يک كميت موضعی است، بعبارتی انتخاب­­های مختلف طول مشخصه L در محاسبه عدد رينولدز، منجر به مقادير مختلفی برای اين پارامتر خواهد شد. بنابراين جريان بر روی يک جسم ممکن است که محدوده وسيعی از اعداد رينولدز را شامل شود که بستگی به محلی دارد که مطالعه بر روی آن انجام می­شود. بنابراين در بحث جريانی که از روی يک جسم عبور می­کند، معمولاً  طول مشخصه L بگونه­ای انتخاب می­شود که نمايانگر يک بعد کلی از جسم باشد.

اگر حركت ذرات سيال موجود در لايه مرزی به اندازه کافی به وسيله نيروهای اصطكاكي کاهش يابد، جدايش[3] جريان بوجود می­آيد. بعبارتی ديگر می­توان گفت، جدايش جريان بدليل كاهش زياد اندازه حركت يا مومنتوم جريان نزديك ديوار اتفاق مي­افتد. مي­توان با يك بحث هندسي در خصوص مشتق دوم سرعت u روي ديوار،  پديده جدايي جريان را تجزيه و تحليل كرد.[1]

معادله بقاي مومنتوم در لايه ­مرزي در امتداد محور x بصورت زير است:

(1-2)                                                                 با توجه به شرط­ مرزی عدم لغزش سيال روي صفحه تخت در، خواهيم داشت،،  شرط ­مرزي در جريان­هاي آرام و متلاطم را مي­توان چنين نوشت:

(1-3)

بطور كلي هر المان سيال تحت تأثير دو عامل قرار مي­گيرد، يكي نيروي لزجت كه هميشه با حركت سيال مخالفت مي­كند و سرعت المان سيال را كاهش مي­دهد، دیگری نيروي فشاري كه بسته به اينكه گراديان فشار، ، مثبت يا منفي باشد با حركت المان سيال مخالفت يا به پيشروي آن كمك مي­كند.

براي گراديان فشار صفر، ، مشتق دوم سرعت با توجه به رابطه (1-3) در ديوار صفر است، سپس با توجه به اينكه مشتق اول در ديوار حداكثر است و با افزايش y كاهش مي­يابد، مشتق دوم براي y مثبت بايد منفي باشد، زيرا منفي بودن مشتق دوم سرعت به معني كاهش  و در نتيجه نزديك شدن u به U است. شكل 1-2-الف اين شرايط را نشان مي­دهد.

اگر گراديان فشار منفي باشد، ، به اين گراديان فشار، گراديان مطلوب فشار گفته مي­شود. منفي بودن گراديان فشار منجر به مثبت شدن ، يعني افزايش سرعت جريان آزاد در طول جريان مي­شود. شيب توزيع سرعت نزديك ديواره بزرگ است و در امتداد y كاهش مي­يابد و مشتق دوم در نزديك ديواره و در لايه ­مرزي منفي است. براي  نتيجه مي­شود که ، اندازه حركت نزديك ديوار نسبت به مومنتوم در حالت ، بزرگتر است، همانطور كه در شكل 1-2- ب نشان داده شده است.

اكنون فرض كنيد گراديان فشار مثبت باشد، ، به اين گراديان فشار، گراديان نامطلوب فشار (گراديان فشار معكوس) گفته مي­شود. زيرا وجود گراديان فشار مثبت سبب بروز مواردي مثل افزايش افت انرژي يا افزايش نيروي پسا يا نيروي مقاوم اصطكاكي مي­شود. از رابطه (1-3) در نتيجه مي­شود که . لذا شيب سرعت حوالي ديواره در امتداد y افزايش مي­يابد. شكل 1-2-ج و 1-2-د اين شرايط را نشان مي­دهد. در اين­حالت مي­توان گفت كه نيروي فشاري با حركت المان­هاي سيال مخالفت مي­كند و در نتيجه سرعت سيال كم مي­شود.

اگر گراديان نامطلوب فشار در امتداد جريان ادامه يابد شكل(1-2- د)، در اين صورت گراديان سرعت روي سطح برابر صفر مي­شود،  و اين نقطه را مي­توان نقطه جدايي[4] ناميد. در اين نقطه تنش برشی روی ديوار صفر است،  و اصطلاحاً جدايي جريان اتفاق مي­افتد. در اين شرايط جريان نزديك ديوار نخست متوقف و سپس در جهت عكس جريان اصلی حرکت مي­کند. بصورت خلاصه مي­توان گفت كه گراديان نامطلوب فشار و تنش برشي، اندازه حركت در لايه ­مرزي را كاهش داده و اگر هر دو اثر در يك مسافت لازم عمل كنند، سبب مي­شود كه لايه­ مرزي متوقف شود. اين پديده را جدايي مي­نامند. بنابراين از آنچه گفته شد مي­توان نتيجه گرفت كه شرط وقوع جدايي تنها مي­تواند در ناحيه گراديان نامطلوب فشار رخ دهد. با اين همه بايد به خوبي روشن شده باشد كه وجود گراديان نامطلوب فشار يك شرط لازم و نه يك شرط كافي براي جدايي است. بعبارتي ديگر مي­تواند گراديان نامطلوب فشار وجود داشته باشد بدون جدايي و اين در حالي است كه جدايي بدون گراديان نامطلوب فشار نمي­تواند رخ دهد.

1-2  نحوه تشكيل و پخش گردابه

گراديان فشار نامطلوب به همراه وجود اثرات لزجت باعث ايجاد جدايش جریان مي­شود. برای مثال زمانی که جريان بر روی يك جسم گوشه­دار حرکت کند (شکل 1-3 را ببينيد)، باعث جدايش جريان می­شود.

مطالعه و بررسي ويژگي­هاي جريان و انتقال حرارت حول سيلندرهايي با مقطع مربعي، از جمله مسائل مرتبط با عبور جريان سيال حول اجسام با گوشه­هاي تيز است. اين سيلندرهاي مربعي كه در مقابل جريان قرار دارند، جزء اجسام جريان­بند[5] محسوب مي­شوند. بطور كلي به هر شئ كه مقطع مقابل جريان بزرگ داشته باشد و راه جريان را بند آورده و يك ناحيه ويك[6] وسيع ايجاد كند، جسم جريان­بند گويند. شكل 1-4 نحوه قرارگيري يك جسم جريان­بند با مقطع مربعي را در برابر جريان نشان مي­دهد.

با وجود هندسه نسبتاً ساده اجسام جريان­بند، الگوی جريان حول اين اجسام پديده  پيچيده­اي است. بهمين علت جريان بيشتر حول اجسام جريان­بند با سطح مقطع­های ساده از قبيل مقاطع دايره­ای و مربعی دو­بعدی بررسی می­شود. جريان حول اين اجسام با جدا شدن از سطوح جسم، باعث ايجاد ناحيه ويك بزرگي در جريان­ پايين­دست مي­شود. همچنين لايه­هاي جدا شده توليد گردابه­هايي منفصل در ناحيه پشت جسم مي­كنند. اين گردابه­ها می­توانند مکش­های بسيار زياد در نزديک نقاط جدا شده مانند، گوشه­ها و برآمدگي­ها ايجاد کنند. وقتی جريان بر روی جسم در نقطه­ای جدا شود، ناحيه پشت جسم شامل اثرات ناشی از تشکيل گردابه می­شود. بطور کلی   جريان اطراف اجسام جريان ­بند، اغلب شامل پديده ­هاي پيچيده­اي از قبيل جریان ­های برشی،

جدايش جريان، ويك، جريان گردابه­اي و پخش گردابه[7] است. گردابه­ها از سطوح جلويی جسم جريان­بند شروع به تشکيل شدن کرده و با رشد لايه­های برشی، از جسم جدا شده و گردابه­های بزرگی را در جريان پايين­دست توليد می­کنند. قسمت داخلی لايه ­برشی ايجاد شده روی جسم، با سرعت بسيار کمتری نسبت به لايه­های خارجی که تحت تأثير جريان آزاد قرار دارد، حرکت    می­کند. بدين علت لايه­های برشی به شکل گردابه­هايی در آمده و در جريان پخش می­شوند. به اين جدايش جريان که از سطوح بالايی و پايينی جسم رخ مي­دهند و گردابه­هايی که به صورت يکی در ميان از اين سطوح جدا شده و در جريان پخش می­شوند، پديده پخش گردابه گويند. اين پديده ناپايدار با افزايش عدد رينولدز[8] قوي­تر می­شود. در شکل 1-5 پدیده پخش گردابه از اجسام جریان­بند با سطح مقطع­های دایره­ای و مربعی نشان داده شده است. نخستين مشاهده ثبت شده از پديده پخش گردابه توسط لئوناردو داوينچي در قرن شانزدهم بوده است، زماني كه يك رديف دوتايي از گردابه، در اطراف جسم جريان­بند را رسم كرد‌‌[2].

برای توصيف نحوه تشکيل ناحيه گردابه­ای پشت جسم جريان­بند، جريان در اطراف يک صفحه گوشه تيز دوبعدی همانطوري که در شکل 1-6 مشاهده می­شود را در نظر بگيريد[3]. در اعداد رينولدز خيلی كم (مثلاً ، که L بعد صفحه در جهت عمود بر جريان است)، جريان گوشه صفحه را دور زده و در امتداد مقطع صفحه در جلو و عقب خطوط هم تراز به حرکت خود ادامه می­دهد (شکل 1-6-الف).

در اعداد رينولدز کمی بالاتر، ، که صرفاً با افزايش سرعت جريان روی همان صفحه قبلی بدست می­آيد، خطوط جريان در گوشه صفحه از هم جدا شده و دو گردابه بزرگ متقارن پشت صفحه بوجود می­آيد (شکل 1-6-ب).

اما در اعداد رينولدز بالاتر، ، گردابه­های از حالت متقارن خارج شده و بجای آنها گردابه­های چرخشی نامتقارن بصورت يکی در ميان در بالا و پايين لبه­ها تشکيل می­شود. نهايتاً این گردابه­های چرخشی از سطح جسم جدا شده و به سمت پايين­دست جريان حرکت کرده و از بين می­روند (شکل 1-6-ج).

در جريان­هايی با عدد رينولدز بالاتر، مثلاً Re>1000، (شکل1-6-د) نيروهای اينرسی غالب شده و گردابه­های بزرگ جای خود را به ناحيه آشفته در عقب جسم می­دهند. دو ناحيه خارجی در طرفين ناحيه آشفته در پشت جسم را، لايه ­برشی می­نامند که تعداد زيادی گردابه­های کوچک را شامل شده و ناحيه پشت جسم را از جريان اطراف جدا می­سازد.

[1]. Boundary Layer

[2]. No-Slip Condition

[3]. Separation

[4].  Separation Point

[5]. Bluff Body

2. ناحيه كم فشار بوجود آمده در پشت جسم جريان­بند را، ناحيه ويك (wake) مي­نامند.

[7]. Vortex Shedding

1. 1. در اينگونه مسائل، عدد رينولدز بصورت تعريف می­شود که در آن d پهنای تصوير شده جسم در مقابل جريان است.

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                    صفحه

فصل اول: مقدمه                                                                                                             1

1-1 جدایش جریان   …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 1

1-2 نحوه تشکیل و پخش گردابه ……………………………………………………………………………………………………………………………………….. 7

1-3 کاربرد جریان­بندها در مهندسی …………………………………………………………………………………………………………………………….. 18

فصل دوم: مروری بر فعالیت­های تحقیقاتی گذشته                                                       21

2-1 مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 21

2-2  هندسه يك سيلندري در جريان آرام …………………………………………………………………………………………………………… 21

2-3  هندسه يك سيلندري در جريان مغشوش …………………………………………………………………………………………………. 31

2-4  هندسه چند سيلندری در جريان آرام  ………………………………………………………………………………………………………….. 39

2-5  هندسه چند سيلندری در جريان مغشوش  ……………………………………………………………………………………………….. 48

فصل سوم: بیان مسأله مورد نظر و معادلات حاکم بر آن                                               59

3-1  طرح مسأله فعلي و جايگاه آن  ………………………………………………………………………………………………………………………….. 59

3-2  هندسه مسأله  …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 62

3-3  معادلات حاكم در جريان آرام   ………………………………………………………………………………………………………………………….. 63

3-3-1 ميدان جريان سيال  …………………………………………………………………………………………………………………………………….. 63

3-3-2 ميدان دما و انتقال حرارت ………………………………………………………………………………………………………………………. 67

3-4 معادلات حاكم در جريان مغشوش …………………………………………………………………………………………………………………… 69

3-4-1 ميدان جريان سيال و دما ………………………………………………………………………………………………………………………. 69

3-5  جمع­بندي معادلات  ………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 72

3-6  روش حل مسأله  ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 74

3-7  شرايط مرزي و نحوه اعمال آنها ……………………………………………………………………………………………………………………….. 87

3-7-1  مقدمه  ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 87

3-7-2  شرط مرزي ورودي …………………………………………………………………………………………………………………………………… 87

3-7-3  شرط مرزي خروجي  ………………………………………………………………………………………………………………………………… 89

3-7-4  شرط مرزي ديوار  ……………………………………………………………………………………………………………………………………….. 90

3-7-5  شرط مرزي تقارن   …………………………………………………………………………………………………………………………………….. 92

فصل چهارم: نتایج جریان آرام                                                                                                                                          94

4-1 مقدمه ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 94

4-2 مقایسه نتایج بدست آمده برای هندسه یک سیلندری با نتایج موجود ………………………………………… 95

4-3 مطالعه شبکه ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 99

4-4 مطالعه نسبت انسداد …………………………………………………………………………………………………………………………………………….  105

4-5 تحليل نتايج رژيم جريان آرام ………………………………………………………………………………………………………………………….  118

4-5-1 تحليل نتايج جريان سيال براي فاصله بين سيلندري ثابت G=5 ………………………………….  118

4-5-2 تحليل نتايج جريان سيال براي فواصل بين سيلندري مختلف …………………………………………  138

4-5-3 تحليل نتايج انتقال حرارت و ميدان دما ……………………………………………………………………………………….. 147

فصل پنجم: نتایج جریان مغشوش                                                                                                                                     161

5-1 مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 161

5-2 تحليل نتايج بدست آمده برای جريان سيال …………………………………………………………………………………………….  162

5-3 تحليل نتايج میدان دما و انتقال حرارت ……………………………………………………………………………………………………. 178

جمع­بندي نتايج و ارائه پيشنهادات                                                                           183

پيوستها

پيوست الف: متن كامل مقاله ارائه شده در دهمين كنفرانس ديناميك شاره­ها 1385 ………………… 186

پيوست ب: متن كامل مقاله پذيرفته شده جهت ارائه در كنفرانسISME2007 ………………………… 197

پيوست ج: استخراج معادلات حاكم بر جريان و نحوه بي­بعد كردن آنها ………………………………………………. 203

پيوست د: محاسبه مشتق اول با دقت مرتبه دوم در يك نقطه در شبكه غير يكنواخت ………………. 212

فهرست منابع                                                                                                            215