توضیحات

پروژه شبیه سازی جریان آب درون یک لوله مدور مجهز به نوار مارپیچ و تابیده(twisted tape) در نرم افزار انسیس فلوئنت(Ansys Fluent)

Name: پروژه شبیه سازی جریان آب درون یک لوله مدور مجهز به نوار مارپیچ و تابیده(twisted tape) در نرم افزار انسیس فلوئنت(Ansys Fluent)
SKU: 9701
Price: 1100000 IRT
Availability: InStock

Simulation of Water Flow in Pipe with Twisted tape in Ansys Fluent Software

از روش‌های افزایش انتقال حرارت انفعالی (passive) استفاده از تجهیزات چرخش جریان نظیر نوارهای پیچشی است که با ایجاد جریان‌های چرخشی ثانویه منجر به افزایش اختلاط جریان و افزایش نوسانات متغیرهای جریان آشفته در داخل لوله می‌شوند. یک نوار پیچشی (به مانند یک روبان که به دور خود پیچیده شده است) می تواند درون لوله با فاصله صفر یا غیرصفر از سطح داخلی قرار گیرد. توجهات به استفاده از این پدیده در رژیم جریانی آشفته روبه افزایش است. استفاده از این مکانیزم همراه با یک نانوسیال ممکن است موجب افزایش انتقال حرارت در حد قابل توجهی شود.

عملکرد دستگاه های حرارتی از یک سو سبب صرفه جویی در انرژی شده و از طرف دیگر می تواند کوچکشدن ابعاد دستگاه ها و درنتیجه کاهش هزینة مواد و ساخت دستگاه را به دنبال داشته باشد. متاسفانه بسیاری از روش های مذکور با ازدیاد سطح در واحد حجم دستگاه امکان پذیر است که این مسئله سبب افزایش افت فشار می شود و با توجه به نیاز به پمپ قوی تر هزینه لازم جهت انتقال سیال بیشتر میگردد. بحث صرفه جویی در مصرف انرژی و مواد تلاش هایی برای تولید تجهیزات مبدل های حرارتی پربازده تر در جهت کاهش هزینه ها گسترش بیشتری یافته است. نتیجه این تلاش ها کاهش ابعاد فیزیکی این تجهیزات برای یک ظرفیت حرارتی مشخص می باشد. بنابراین اصلی ترین اهداف هیدرولیکی- حرارتی، کاهش ابعاد یک مبدل حرارتی مورد نیاز برای یک ظرفیت حرارتی مشخص، افزایش ظرفیت و عملکرد یک مبدل حرارتی موجود با اختلاف دمای کوچکتر یا کاهش قدرت پمپ می باشد.

روش های افزایش انتقال حرارت:

در صنعت خودرو و تبرید، معمولاً سطوح افزایشی در مبدل های حرارتی استفاده می شود. همچنین در صنایع فرآیندی و در تجهیزات پزشکی نیز سعی در استفاده از سطوح انتقال حرارت افزایشی در مبدل های حرارتی می باشد.

روش های مختلفی برای افزایش انتقال حرارت وجود دارد که در سه گروه طبقه بندی میشوند:

الف) روش های فعال

ب) روش های غیرفعال

ج) روش های ترکیبی.

روش های فعال:

در روش های فعال از توان خارجی استفاده می شود. در چنین مواردی از میدان الکتریکی، صوتی و یا ارتعاش سطوح استفاده می شود. در روش فعال از نیرو های خارجی مانند میدان مغناطیسی و یا صوتی و یا از سطوح مرتعش شونده برای برهم زدن لایه مرزی و افزایش تلاطم برای رسیدن به انتقال حرارت بیشتر استفاده می شود.

انواع روش های فعال شامل روش های زیر می باشد:

1-تجهیزات کمکی : نمونه هایی از ابزارهای مکانیکی شامل چرخش مبدل های لوله و اوراق حرارت سطح سبب چرش جریان و افزایش انتقال حرارت می شود.

2-ارتعاش سطح: در جریان تک فاز با ارتعاش در آمدن سطوح سبب افزایش انتقال حرارت می شود.

3-ارتعاش سیال : در جریان تک فاز با ارتعاش در آمدن سیال سبب افزایش انتقال حرارت می شود.

۴-میدان الکتریکی : میدان الکترواستاتیک مانند میدان الکتریکی یا مغناطیسی و یا یک ترکیبی از این دو در سیستم های مبدل حرارتی استفاده شود که باعث اختلاط بیشتر، سبب افزایش انتقال حرارت میشود. این روش در فرآیند انتقال حرارت مایعات دی الکتریک قابل اجرا است.

۵-ارتعاش سیال ورودی : در جریان تک فاز در ورودی مسیر با تزریق سیال خاص به جریان موجب افزایش انتقال حرارت می شود.

6-مکش : با حذف بخار از منافذ سطحی در جریان دو فازی و با گرفته شدن بخار از سیال در جریان تک فازی سبب افزایش انتقال حرارت می شود.

۷-برخورد جت : با عبور جریان گرم و سرد از دسته لوله بطور عمودی و مورب موجب افزایش انتقال حرارت می شود.

روش های غیرفعال:

این روش ها از طریق ایجاد اغتشاش در جریان و یا تغییر رژیم جریان بدون نیاز به نیروی خارجی، موجب افزایش انتقال حرارت می شوند که همواره با افت فشار همراه است. سطوح هندسی خاص و یا افزودنی به سیال برای بهبود انتقال حرارت استفاده می گردد. روش های غیر فعال بدلیل هزینه کمتر معمولا مورد توجه بیشتری قرار دارند. از جمله این روشها می توان از تجهیزات درون لوله ای مانند : شبکه سیم یا برس، نوار پیچیده شده و فنر نام برد. این تجهیزات به راحتی داخل لوله های تبادل گرما قابل استفاده می باشند. البته استفاده از تجهیزات درون لوله ای باعث افزایش نامطلوب افت فشار داخل لوله نیز خواهد شد. امتیاز این وسایل این است که نسبت ارزان هستند، نصب آنها در داخل لوله و همچنین بیرون آوردن آنها به منظور تمیز کردن لوله آسان می باشد. به همین دلیل محققین زیادی از این گونه وسایل برای افزایش انتقال حرارت در مبدل های حرارتی استفاده نموده اند. بدیهی است که این وسایل علاوه بر ضریب انتقال حرارت، افت فشار را نیز افزایش می دهند. از این رو برای داشتن یک اواپراتور با عملکرد مطلوب؛ بدست آوردن ماکزیمم انتقال حرارت در افت فشار بهینه، یکی از اهداف اولیه طراحی محسوب می شود . سطوح با آرایش خاص، مانند استفاده از پوشش زیر بر روی سطوح گسترش یافته، استفاده از ادواتی که در جریان سیال قرار دارند، بکار گرفته می شوند. یکی از روشهای افزایش انتقال حرارت، استفاده از نوار مارپیچ در لوله مبدل های حرارتی می باشد که با افزایش سطح انتقال حرارت در حجم ثابت و همچنین اختلاط بیشتر جریان، انتقال حرارت را بهبود می بخشد.

پنج عاملی که موجب افزایش انتقال حرارت در جریان آرام و درهم با وجود نوار تابیده شده می گردد عبارتند از :

1- افزایش سرعت جریان به دلیل تقسیم شدن مقطع لوله به وسیله نوار

۲- کاهش قطر هیدرولیکی که موجب افزایش ضریب انتقال حرارت می شود

۳- افزایش طول مسیر جریان به دلیل مارپیچی بودن آن

۴- بهبود ضریب انتقال حرارت به دلیل حرکت ثانویه تولید شده توسط نوارمارپیچ

۵- اثرات پره، اگر که نوار کارگذاری شده در لوله دارای اتصال کامل با دیواره لوله باشد.

بزرگترین عامل موثر در این بهبود را می توان در تمایل به اختلاط عرضی در جریان، به دلیل وجود نیروهای جانب مرکز جستجو کرد. هزینه ناشی از استفاده از وسایل افزاینده انتقال حرارت غیر فعال، در برگیرنده هزینه ناشی از افزایش افت فشاری است که نسبت به لوله های ساده ایجاد می نماید، می باشد در حالی که استفاده از وسایل افزایش انتقال حرارت فعال، هزینه ناشی از نیروی خارجی که سبب تغییر جریان داخل لوله در جهت افزایش انتقال حرارت می گردد را شامل می شود.

بطور کلی استفاده از وسایل افزاینده انتقال حرارت غیر فعال در مبدل های حرارتی به دو منظور زیر صورت می پذیرد:

1-افزایش سطح انتقال حرارت

2-افزایش ضریب انتقال حرارت.

هر دو روش فوق را می توان برای سمت پوسته مبدل های حرارتی استفاده نمود، ولی در سمت لوله های مبدل حرارتی، افزایش سطح بسیار محدود است، بنابراین بهبود انتقال حرارت در این بخش از مبدل معمولا با افزایش ضریب انتقال حرارت امکان پذیر است. در بیشتر موارد این هدف با استفاده از وسایل افزاینده انتقال حرارت داخل لوله تحقق می یابد.

انواع مختلفی از این وسایل افزاینده انتقال حرارت داخل لوله موجود می باشد که هر یک از آنها عملکرد مخصوص به خودشان را دارند. این وسایل عبارتند از:

1-نوارهای تابیده : این وسیله سبب چرخش جریان داخل لوله می گردد و در نتیجه سرعت سیال در تماس با جداره لوله را افزایش می دهد.

۲. مفتول های پیچشی: این وسایل به صورت حلقوی بر روی جداره داخلی لوله ها قرار گرفته و سبب از بین رفتن لایه مرزی حرارتی شده و منجر به افزایش ضریب انتقال حرارت داخل لوله می گردد.

٣. شبکه های سیمی : این وسایل شامل شبکه های متعدد سیمی که به دور یک هسته مرکزی بافته شدهاند، می باشند. این وسایل چندین مکانیزم بهبود انتقال حرارتی ایجاد می کنند و برای جریان های آرام داخل لوله پیشنهاد می گردند. ایجاد دمای یکنواخت برای سیال داخل لوله، از بین بردن لایه مرزی حرارتی داخل لوله و افزایش اختلاط سيال داخل لوله، از مکانیزم های افزایش انتقال حرارت این وسایل می باشد.

۴. تغییر سطوح : این روش شامل استفاده از چاله ها، حفره ها و یا خش و از این قبیل، تغییر در سطوح که سبب افزایش انتقال حرارت می شود. این روش بیشتر برای جوشش مورد استفاده قرار می گیرد.

۵. ناهمواری سطوح : ناهموار کردن سطوح سبب افزایش شدت توربولانسی جریان سیال می شود. کاربرد این روش در جریان تک فاز می باشد.

۶. گسترش سطوح : استفاده از سطوح گسترده مانند: فین های ساده سبب برهم زدن میدان جریان سبب افزایش انتقال حرارت می شود.

7-جریان چرخشی : با قرار دادن نوار مارپیچ, نوار فنری شکل در سیر جریان سبب افزایش جریان چرخشی و جریان ثانویه و منجر به افزایش انتقال حرارت می شود. و برای جریان تک فازی و ثانویه کاربرد دارد.

8- تغییر مسیر: با قرار دادن مسیرهایی در امتداد جریان با جابه جایی سیال گرم و سرد بطور غیر مستقیم سبب افزایش انتقال حرارت می شود.

9-لوله های مارپیچ : با قرار دادن لوله های مارپیچ در مسیر جریان سبب چرخش جریان و تولید گردابه و منجر به افزایش انتقال حرارت می شود. و برای جریان تک فازی کاربرد دارد.

۱۰. سطوح شیاردار : با قراردادن سطوح شیار دار در مسیر جریان بطور مستقیم سبب افزایش انتقال حرارت می شود.

11-مواد افزودنی مایع : اضافه کردن ذرات جامد, مواد افزودنی, حباب گازهای مخصوص به سیال تک فازی سبب کاهش کشش سطحی سیال و افزایش انتقال حرارت می شود.

۱۲. مواد افزودنی گازی : اضافه کردن قطرات مایع یا ذرات جامد، در جریان گاز تک فاز یا به عنوان رقیق (سوسپانسیون گاز و جامد) و یا فاز مایع به عنوان سیال متراكم معرفی شده است. هزینه ساخت وسایل افزاینده انتقال حرارت داخل لوله بسیار پائین بوده و نصب آنها در داخل لوله های مبدل های حرارتی به آسانی صورت می گیرد. این وسایل برای افزایش توان عملکردی مبدل هائی که جریان سمت لوله در آنها احتیاج به عملکرد حرارتی بالاتری دارند می تواند مورد استفاده قرار گیرد. علاوه بر آن، در مواقعی که تمیز کردن لوله های مبدل حرارتی مدنظر باشد، این نوع وسایل را می توان به راحتی از لوله های مبدل خارج نمود. مبدل های حرارتی جدیدی که به همراه وسایل افزاینده انتقال حرارت داخل لوله طراحی می شوند فشرده تر(کم حجم تر) از مبدلهای حرارتی لوله ساده می باشند. وجود لوله های کوتاهتر در مبدلهایی که در لوله های آنها از این وسایل استفاده شده است، می تواند سبب گردد که هزینه افزایش افت فشار ناشی از بکار بردن این وسایل جبران گردد.

روش های ترکیبی

هنگامی که دو یا بیشتر از این تکنیک ها به طور همزمان استفاده می شود، سبب افزایش انتقال حرارت میشود. این تکنیک شامل طراحی پیچیده و از این رو دارای کاربردهای محدودتری می باشد.

نوارهای تابیده (twisted tapes):

این نوع تجهیزات از یک نوار فلزی به صورت تابیده شده، تشکیل شده است. ساخت این نوع مخلوط کنندههای استاتیکی برخلاف نوع شبکه سیمی آسان است. شكل حلزونی این وسایل باعث چرخش جریان و ایجاد جریانات ثانویه در جهت شعاعی و در نتیجه اختلاط بهتر سیال، افزایش آشفتگی در حین انتقال جرم بوده و همین طور افزایش ضریب انتقال حرارت در لوله می شود. ایجاد گردابه های چرخشی در جریان سبب ایجاد لایه مرزی به مراتب نازکتر خواهد شد که این موضوع باعث افزایش میزان عدد ناسلت شده و پیروی این میزان افزایش انتقال حرارت، با توجه به عدد ناسلت، افت فشار در لوله نیز افزوده می شود که بسیاری از تحقیقات و بررسی ها درباره ایجاد بالاترین بازدهی حرارتی با کمترین میزان افت فشار بوده است.

افزایش میزان بازدهی حرارتی و کاهش میزان افت فشار وابسته به گام و زاویه پیچش است. مقدار زاویه پیچش به نسبت میان گام نوار تابیده به قطر داخلی لوله گفته می شود که این نسبت، مقدار نسبت پیچش خواهد بود. در ادامه به معرفی دقیق تر و کامل تر این تجهیز پرداخته خواهد شد. در شکل زیر نمایشی از نحوه ی جای گذاری نوارهای تابیده در لوله های مبدل حرارتی نشان داده شده است. از ویژگی های بارز این نوارها قابلیت تعویض آسان بوده که در هنگام گرفتگی لوله ها تعویض و نصب مجدد می گردد.

از مهمترین مزایای این نوارها می توان موارد زیر را ذکر کرد:

1-افزایش سه تا پنج برابری ضریب انتقال حرارت

2- بهترین راه حل برای بالا بردن کارآیی مبدل های موجود و به روز کردن آنها برای اصلاح و بهبود

3-استفاده در مبدل های جدید برای کاهش ابعاد و هزینه ها

4- در اثر حرکت مارپیچ باعث کاهش رسوب گذاری در لوله ها

نصب و تعویض آسان.

شکل انواع نوارهای تابیده (از سمت راست به چپ: لوله تابیده و نوار تابیده همزمان ، نوارهای تابیده با میله نگهدارنده، نوار تابیده ساعتگرد ، نوار تابیده پادساعتگرد با ضخامت کم).

در مقایسه فنرها و نوارهای تابیده داخل لوله مقدار بهبود انتقال حرارت در هر نوع وسیله قابل توجه است. نسبت این افزایش تابع عدد رینولدز و زاویه پیچش است. به هرحال برای نسبتهای ضخامت و زاویه پیچشی مشابه، وسایل افزاینده انتقال حرارت نوار تابیده، نتایجی بهتر از تجهیزاتی نظیر فنر در رژیم جریان آرام نشان داده اند. این موضوع ناشی از این واقعیت است که تجهیزات نوع نوار تابیده تمام جریان و نوع فنر پیچ سهم زیادی از جریان را نزدیک دیواره توزیع می کند. از لحاظ فیزیکی مسئله سیالاتی با پرانتل کمتر ضخامت لایهی مرزی حرارتی بزرگتر و مسئله سیالاتی با پرانتل بزرگتر ضخامت لایه مرزی حرارتی کوچکتری خواهد داشت، لذا نسبت افزایش انتقال حرارت برای سیالاتی که عدد پرانتل بالاتری دارند در جریان آرام، بهتر است. به هر حال افزایش انتقال حرارت همواره با افت فشار همراه است.

جریان آشفته و در این حالت چون نسبت افزایش انتقال حرارت برای تجهیزاتی از نوع نوار تابیده تابعی از عدد پرانتل نیست، مقایسه اعداد پرانتل نتیجه خاصی را در بر ندارد. افزایش میزان انتقال حرارت برای هر دو تجهیز وجود دارد، اما میزان افزایش از جریان آرام کمتر است. مقایسهها نشان می دهد، اختلاف در نسبت بهبود انتقال حرارت تغییر قابل ملاحظه ای با تغيير عدد رینولدز نشان نمی دهد. مشابه جریان آرام، در این رژیم هم تجهيز از نوع نوار تابیده انتقال حرارت بهتری را نشان میدهد. نسبت افزایش کلی برای هر دو نوع تجهیز افزایش انتقال حرارت با افزایش زاویه پیچش است.

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی جریان آب درون یک لوله مدور مجهز به نوار مارپیچ و تابیده(twisted tape) در نرم افزار انسیس فلوئنت(Ansys Fluent) انجام شده است.

نوارهای تابیده تکه های باریک فلزی هستند که توسط روش های مناسب در شکل ها و اندازه های دلخواه پیچ داده شده و درون لوله قرار می گیرند. با استفاده از نوارهای تابیده در داخل لوله، جریان از حالت جریان محوری به جریان شعاعی و چرخشی تغییر حالت می دهد، که باعث افزایش انتقال حرارت لوله می شود. مطابق با بررسی های صورت گرفته تلاش برای شبیه سازی میدان جریان و انتقال حرارت در لوله به همراه نوار مارپیچ در سال های اخیر مورد توجه قرار گرفته است. تحقیقات صورت گرفته بسیار محدود بوده و لزوم بررسی بیشتر در این زمینه کاملا مشهود می باشد. مسئله مورد توجه در این پروژه، شبیه سازی جریان سیال در داخل لوله با نوار مارپیچ با استفاده از نرم افزارانسیس فلوئنت می باشد.

هندسه مسئله:

هندسه مسئله در نرم افزار انسیس دیزاین مدلر(ANSYS Design Modeler) ترسیم شده است.

شبکه و مش بندی:

در گام دوم از روند شبیه سازی نیازمند شبکه بندی مناسب برای استفاده از روش حجم محدود می باشد. بنابراین یکی از مهم ترین و اساسی ترین قسمت در یک حل عددی با دقت قابل قبول با صرف کمترین هزینه و دقت مناسب و همچنین صرف زمان کم از موضوعات مهم در یک شبیه سازی موفق می باشد. در این پروژه از نرم افزار انسیس مشینگ(ANSYS Meshing) به منظور شبکه بندی هندسه استفاده شده است. تولید یک شبکه مناسب تاثیر بسیار زیادی در دقت نتایج به دست آمده خواهد داشت. لازم است در نواحی که گرادیان های جریان زیاد است و یا سطح جسم از لحاظ هندسی با تغییرات زیادی همراه است، شبکه از تراکم مناسبی برخوردار باشد.