توضیحات

پروژه شبیه سازی انتقال حرارت و اختلاط گرمایی دو جریان آب با دماهای متفاوت درون زانویی یا لوله خمیده 90 درجه در نرم افزار انسیس فلوئنت ANSYS FLUENT

لوله های خمیده و زانویی:

انتقال سیالات مختلف از نقطه ای به نقطه دیگر همواره یکی از مسایل مهم مهندسی بوده است. در مسیر انتقال سیال بر اثر وجود موانع و محدودیت های محیطی، تغییراتی در مسیر عبور کانال ها به وجود می آید، که سبب استفاده از اتصالاتی چون خم ها با زاویه های مختلف می شود. خم ها و لوله های منحنی به دلیل صرفه جویی فضایی با تأمین نیازهای هندسی و نیز به سبب مشخصه های سودمند جریان ثانویه ایجاد شده، که بر انتقال حرارت و جرم موثر است، در صنعت به طور مکرر مورد استفاده قرار گرفته است، که از جمله می توان به مواردی نظیر شبکه های لوله های انتقال در صنعت، خنک کننده ها، توربین ها و مبدل های حرارتی اشاره کرد.

پیشرفت های سریع در توسعه و استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) یک ابزار مهندسی را فراهم آورده است که می توان از آن برای پیش بینی ضریب انتقال حرارت و جرم در کانال های مختلف استفاده کرد. همچنین با استفاده از CFD می توان مشکلات خوردگی را در سیستم های لوله کشی، که در صنایع زیادی وجود دارد و نرخ انتقال جرم دیوار تأثیر مهمی بر میزان آن دارد مورد بررسی قرار داد.

زمانی که سیال در یک لوله خمیده جریان می یابد، یک اختلاف فشار در طول لوله به منظور موازنه نیروی گریز از مرکز ناشی از انحنا مورد نیاز است. اگر لوله را طوری در نظر بگیریم که روی یک سطح افقی قرار گرفته باشد، سیال در نواحی بالا و پایین لوله کندتر از سیال در ناحیه مرکزی حرکت می کند و به اختلاف فشار کمتری جهت ایجاد توازن با نیروی گریز از مرکز نیاز دارد. در نتیجه جریانی به وجود می آید که در آن سیال کندتر در نیمه بالا و پایین لوله به سمت داخل خم و سیال ناحیه میانی به سمت خارج خم حرکت می کند. این جریان به عنوان جریان ثانویه شناخته شده است. در نتیجه این جریان ثانویه، ناحیه بیشینه سرعت در جریان اصلی به سمت دیواره خارجی خم منتقل می شود.

یک سیستم جریان می تواند دارای انواع انرژی های خاص، زانویی ها، شیرها و نیز تغییرات در سطح مقطع مانند انقباض و انبساط باشد. زانویی جزء لاینفک سیستم های جریانی در اکثر صنایع می باشد که از آن جمله می توان به مبدل های حرارتی، هیترها، بویلرها و سیستم های آب رسانی و گازرسانی و مواردی از این دست اشاره کرد. یکی دیگر از پرکاربردترین موارد استفاده زانویی در صنایع نفت می باشد. در بعضی صنایع از زانویی ها با مقطع مستطیلی استفاده می شود که مثال آن صنعت تهویه مطبوع می باشد. بسته به نوع جریان در زانویی، از منظر آرام یا آشفته بودن حالت های مختلفی در جریان زانویی می تواند رخ دهد. یکی از این حالت ها، تولید گردابه ای یا ادی در زانویی است که می تواند منجر به اتلاف و در نتیجه افت فشار گردد. حالت دیگر مربوط به جریان ثانویه در زانویی می باشد که جریان عمود بر جهت جریان اصلی می باشد و این جریان نیز نقش بسزایی در اتلاف و افت فشار در زانویی دارد. لذا در زانویی علاوه بر افت حاصل از لوله، افت های دیگری نیز وجود دارند که جهت به دست آوردن افت کلی فشار سیستم جریان باید لحاظ شوند. انتقال حرارت در لوله جریان سیالات در لوله های منحنی در صنایع بسیار پر کاربرد است. تحقیقات درباره انتقال حرارت جریان مغشوش در داخل لوله تقریبا از ۱۰۰ سال پیش شروع شد. اولین مقاله درباره بررسی علمی ناسلت در سال ۱۹۱۰ منتشر شد. در این مقاله به بررسی انتقال حرارت جریان آشفته گاز در داخل لوله پرداخته شد و روش استفاده شده شبیه روش های تجربی بود. در طول این سال ها بررسی های آزمایشگاهی زیادی در رابطه با انتقال حرارت جریان های مغشوش در لوله با سیالات مختلف انجام شد. درنتیجه این تحقیقات توانستند ارتباط بین عدد ناسلت و عدد رینولدز و پرانتل برای یک گستره بزرگ از پرانتل و رینولدز بدست بیاورند. رینولدز اولین کسی بود که انتقال حرارت جریان مغشوش در لوله را به صورت تئوری بررسی کرد و توانست ارتباط بین شار گرمایی و تنش برشی دیواره که به تشابه رینولدز معروف است را بدست آورد. برخی دیگر از تحقیقات در ادامه کارهای رینولدز انجام شد.

در زانویی اثرات ناپایدار سانتریفیوژ و ویسکوز وجود دارد و جریان سیال را به مقدار زیاد تحت تاثیر قرار می دهد. درنتیجه تعامل غیرخطی بین این ناپایداری ممکن است باعث جریان مغشوش در رینولدز بالا شود. یکی از کاراکتر های مهم در لوله ها و مجاری باز وجود جریان ثانویه است. جریان ثانویه اولین بار توسط اوستیک در لوله های منحنی بیان شد و تاثیر قابل توجهی در نفوذ جریان اولیه در قسمت هایی با نیروهای گریز از مرکز دارد. این موضوع اولین بار توسط دین به صورت عددی بررسی شد. در حضور جریان ثانویه سرعت ممکن است به سمت دیواره بیرونی منحرف شود. درنتیجه عملکرد هیرودینامیک و تاثیرات ویسکوز کم شده و بر انتقال حرارت به مقدار قابل توجهی تأثیر می گذارد علاوه بر این، افت فشار بزرگ و تنش برشی دیوار غیر یکنواخت از دلایل ایجاد این نوع جریان است. این مطالب نشان دهنده تفاوت قابل توجه جریان در لوله های منحنی و لوله های مستقیم است. بررسی جریان ثانویه به صورت تجربی غیر ممکن است، یکی از راه های بررسی جریان ثانویه استفاده از روش دینامیک سیالات محاسباتی است.

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی جریان اختلاط دو سیال سرد و گرم درون زانویی یا لوله خمیده 90 درجه در نرم افزار انسیس فلوئنت ANSYS FLUENT انجام شده است.

هندسه مسئله:

هندسه مسئله در نرم افزار سالیدورک ترسیم شده است.

شبکه و مش:

شبکه و مش در نرم افزار فلوئنت مشینگ(Fluent Meshing) تولید شده است.

شبیه سازی و حل:

شبیه سازی در نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT) انجام شده است.

حلگر:

حلگر فشار مبنا (Pressure based) در شرایط پایا استفاده شده است.

مدل لزجت:

مدل جریان آشفته دو معادله ای k-ω SST استفاده شده است.

سیال:

سیال مورد استفاده آب می باشد.

وابستگی سرعت-فشار:

برای وابستگی سرعت-فشار از الگوریتم حل پیوسته(coupled) استفاده شده است. برای گسسته سازی معادله فشار از روش مرتبه دوم و برای گسسته سازی مومنتوم و انرژی از طرح بالادست مرتبه دوم استفاده شده است.

نمونه نتایج شبیه سازی: