توضیحات
پروژه شبیه سازی جریان سیال و انتقال حرارت بر روی دسته لوله ها با آرایش مثلثی در نرم افزار انسیس فلوئنت ANSYS FLUENT
افزایش تقاضای مصرف انرژی در تمامی بخشهای جامعه امروزی، نیازمند مصرف صحیح و هوشمندانه انرژی است. بسیاری از صنایع کاربردی به مبدل های حرارتی با چیدمان مختلف لوله ها نیاز دارند که می توان به سیستم های تهویه مطبوع، هیترها، سیستم های تبرید، رادیاتورها و … اشاره کرد. این تجهیزات لازم است کوچک، سبک و با کارایی بالا باشند. یکی از چالش های اصلی در طراحی مبدل های حرارتی کاهش افت فشار به ازای مقدار مشخصی از انتقال حرارت است. لوله های با مقطع دایروی باعث ایجاد جدایش شدید و دنباله های بزرگ در جریان آشفته عمود بر لوله می شود. این جدایش در لول های با شکل دایروی باعث افت فشار بیشتر در مقایسه با لوله های با شکل خط جریانی می شود. کارهای عددی و تجربی زیادی به بررسی انتقال حرارت و جریان حول یک لوله و دسته لوله اختصاص داده شده است
جریان سیال حول دسته لوله ها:
در نیروگاه ها، صنایع شیمیایی و اکثر صنایع دیگر بطور فزاینده ای از مبدل های حرارتی که شامل یک جریان عمودی روی دسته ای از لوله ها می باشد، استفاده می شود. به همین خاطر نیاز به مطالعات و تحقیقات بیشتر روی رفتار هیدرولیکی و انتقال حرارت یک لوله تنها و آرایش های مختلف لوله ها در جریان عمودی یک گاز یا یک سیال لزج احساس می شود.
انتقال حرارت به طور محسوسی تحت تأثیر رژیم جریان اطراف لوله می باشد. ضمن اینکه جریان عبوری از دسته لوله ها یکی از مسائل مشکلی است که از لحاظ عملی اهمیت دارد، دانستن این فرایند ما را قادر به مطالعات گسترده تری روی انتقال حرارت مسئله می کند. موضوع پروژه حاضر حل جریان حول یک دسته لوله می باشد. در شکل زیر دو نوع رایج دسته لوله که آرایش مربعی(in-line arrangement) و آرایش مثلثی(staggered arrangement) می باشند، نشان داده شده است.
شکل آرایش لوله ها در یک دسته لوله الف) آرایش مربعی، ب) آرایش مثلثی.
خطوط خط چین خطوط تقارن هستند. با در نظر گرفتن خطوط تقارن، دامنه حل برای یک آرایش مربعی بصورت زیر در خواهد آمد.
مدل عمومی جریان عبوری از یک لوله در یک دسته لوله:
در یک دسته لوله(tube bundle)، جریان حول یک لوله توسط لوله های اطرافش تحت تأثیر قرار می گیرد. در اثر برخورد جریان عبوری با لوله های مجاور، گرادیان فشار به شدت متغیر است. در نتیجه توزیع سرعت در لایه مرزی و مدل جریان در پشت استوانه تغییر می کند. مدل جریان حول یک لوله در یک استوانه با آرایش و پارامترهای هندسی دسته لوله محاسبه می شود. دسته لوله های با آرایش مربعی و مثلثی لوله ها بسیار متداول هستند که توسط دو گام عرضی(transverse pitch) a=S1/D و گام طولی(longitudinal pitch) b=S2/D مشخص می شوند. در هر دو آرایش جریان حول یک استوانه در ردیف اول مشابه جریان حول یک لوله تنها می باشد اما مدل جریان در ردیف های بعدی تغییر می کند.
در آرایش مثلثی، جریان مشابه جریان در یک کانال منحنی با کاهش و افزایش تناوبی سطح مقطع میباشد. درنتیجه توزیع سرعت روی لوله های ردیف های مختلف یک مشخصه مشابه دارند. جریان در دسته لوله با آرایش مربعی در بعضی موارد مشابه جریان در یک کانال مستقیم می باشد. بطورکلی توزیع سرعت در کمترین سطح مقطع در یک ردیف داخلی بستگی به نسبت گام دارد. در حالت حدی گام طولی مساوی یک و بینهایت را مورد توجه قرار میدهیم. جریان در حالت اول تقریبا مشابه جریان در یک کانال بوده و در حالت بعدی مشابه جریان حول یک استوانه تنها می باشد. در حالت بینابین ردیفهای داخلی در ناحیه چرخشی ردیف های قبلی قرار می گیرند و مدل جریان در آنها چرخشی با توزیع غیر یکنواخت سرعت می باشد. در اعداد رینولدز پاین جریان در دسته لوله آرام با گردابه های بزرگ در ناحیه چرخش بوده و تأثیرش روی لایه مرزی قسمت جلوی لوله بعدی بخاطر نیروهای لزج و گرادیان فشار منفی قابل صرفنظر است . مدل جریان تا 3 10>Re را میتوان تقریبا آرام در نظرگرفت.
با افزایش عدد رینولدز، مدل جریان در دسته لوله تغییرات محسوسی پیدا می کند. جریان بین لوله ها مغشوش تر می شود. اگرچه قسمت جلوی یک لوله داخلی توسط جریان چرخشی تحت تأثیر قرار می گیرد، با اینحال، یک لایه مرزی آرام در آنجا وجود دارد. این مدل جریان، شامل یک لایه مرزی آرام روی لوله و تحت تاثیر جریان مغشوش و جریان های چرخشی در پشت لوله یک جریان مختلط را تشکیل می دهد.
میزان اغتشاش و تولید آن در دسته لوله ، به آرایش لوله ها و عدد رینولدز بستگی دارد. در دسته لوله هایی با گام طولی بزرگ، حالت گذار از آرام به مغشوش در دسته لوله تدریجی بوده و به افزایش عدد رینولدز بستگی دارد. جریان در دسته لوله ها در ابتدا شامل گردابه های بزرگی است که اندازه آنها با افزایش سرعت کاهش می یابد. بنابراین در محدوده 4 10>Re> 3 10مدل جریان مدلی بین مدل تقریبا آرام و مدل جریان مرکب می باشد.
در آرایش مثلثی با گام طولی کوچک و در 103<Re در یک لحظه گردابه های کوچک پدیدار شده و جریان در دسته لوله ها در یک آن مغشوش می شود. رژیم جریان مختلط یک محدوده بزرگ عدد رینولدز را شامل می شود و فقط در 5 10*2> Re مشخصاتش تغییر کرده و جریان در دسته لوله بشدت مغشوش می شود. مقاومت کل دسته لوله در رژیم جریان بحرانی مشابه یک لوله تنها تغییر می کند.
بنابراین می توان سه رژیم جریان در دسته لوله ها را بر حسب عدد رینولدز دسته بندی کرد:
١- رژیم جریان تقریبا آرام در محدوده 3 10>Re
۲- رژیم جریان مختلط یا زیربحرانی در محدوده 5 10 * 2 >Re > 2 10* 5
3-رژیم جریان تقریبا مغشوش یا بحرانی در محدوده 5 10*2<Re
توزیع های سرعت وفشار حول یک لوله در یک ردیف طولی از یک دسته لوله با جریان حول بک لوله تنها متفاوت است. تحقیقات نشان می دهد که جریان حول لوله های ردیف اول مشابه جریان حول یک لوله تنها در رژیم جریان زیر بحرانی می باشد، اما در ردیف های داخلی یک آرایش مربعی نقطه بیشترین فشار در 40= φ درجه، که در آن جریان اصلی به سطح لوله برخورد می کند، اتفاق می افتد. بنابراین روی هر لوله داخلی یک آرایش مربعی در نقطه برخورد و درنتیجه آن دو نقطه بیشترین فشار وجود خواهد داشت.
برای دسته لوله ها با آرایش مربعی محل نقاط برخورد بستگی به گام طولی و عدد رینولدز دارد. همچنین تحقیقات نشان می دهد که برای آرایش مربعی بین دو نقطه برخورد، لایه مرزی آرام تشکیل می یابد و درحدود 145 = φ درجه از لوله جدا می شود. گاهی اوقات نیز یک لایه مرزی حالت گذار از آرام به مغشوش وجود دارد. برای یک آرایش مثلئی مشابه حالت یک لوله تنها جریان در نقاط تکین جلوبی لوله های داخلی گسترش می یابد. محل نقطه جدایش لایه مرزی در این حالت با حالت یک لوله تنها متفاوت است چرا که حالت گذار از لابه مرزی آرام به مغشوش به 150=φ درجه منتقل می شود. در اعداد رینولدز بزرگتر، محل نقطه جدایش تاحدودی متفاوت است. در مطالعات توزیع سرعت در دسته لوله ها، تأثیر گام عرضی حائز اهمیت است. با کاهش گام عرضی سرعت در بین لوله ها به سرعت افزایش می یابد. در نقطه برخورد و در نقطه جدایش 0=cf است . بر اساس عدد رینولدز برای یک آرایش مثلثی ماکزیمم مقدارcf در 50<φ<80 درجه اتفاق می افتد. مقاومت اصطکاکی یک لوله در یک دسته لوله شامل تنها ۵ درصد از کل مقاومت میباشد و رژیم جریان بحرانی ، این مقدار تا 0.5 درصد کاهش می یابد. زبری سطح نیز باعث افزایش مقاومت اصطکاکی می گردد. مقاومت فشاری در یک لوله در دسته لوله بطور عمده با گام طولی محاسبه میشود. در یک آرایش مربعی با 3>b تحت تاثیر لوله های قبلی ، مقاومت فشاری به طور ناگهانی کاهش می یابد .
جریان سیالات در دسته لوله ها بخاطر کاربرد بسیار در صنعت مانند مبدل های حرارتی ، فیلترها و … از اهمیت بسیاری برخوردار است لذا مطالعات بسیاری توسط افراد مختلف انجام شده است.
تحقیقات اولیه در ابتدای قرن ، انتقال حرارت از یک لوله تنها و انتقال حرارت از یک لوله در ردیفهای داخلی یک دسته لوله را بررسی می کرد . بعدها تحقیقات بیشتری روی تأثیر پارامترهای هندسی دسته لوله بر انتقال حرارت انجام شد. نتایج آن تحقیقات نشان داد که میزان انتقال حرارت از یک لوله در یک دسته لوله بیشتر از یک لوله تنها می باشد و بستگی به آرایش لوله ها در دسته لوله دارد. در همان زمان پیشرفت تئوری تشابهی، روش های کلی کردن نتایج آزمایش را امکان پذیر کرد. تئوری تشابهی که برای پدیده انتقال حرارت جابجای استفاده شد، نه تنها مسیر تحقیقات لازم را مشخص کرد بلکه امکان کلی کردن و تجزیه و تحلیل نتایج تجربی محققان مختلف را فراهم آورد.
مبدل های حرارتی(heat exchanger):
مبدل های حرارتی تجهیزاتی هستند که برای انتقال حرارت از یک محیط به محیط دیگر مورد استفاده ساخته شده اند. یکی از انواع مبدل های حرارتی، شامل دسته لوله هایی است که دما یا شار حرارتی مشخصی دارند و سیالی از روی آنها جهت سرمایش یا گرمایش عبور می کند. به این لوله ها، دسته لوله گفته می شود. مبدل ها به طور گسترده در گرمایش و سرمایش محیط، تهویه مطبوع، نیروگاه ها، کارخانه های مواد شیمیایی، کارخانه های پتروشیمی، پالایشگاه های نفتی، فرآوری گاز طبیعی، و بازیافت فاضلاب مورد استفاده هستند. از این رو است که مطالعات زیادی در زمینه بررسی جریان و انتقال حرارت دسته لوله ها جهت بهبود پارامترهای انتقال حرارت و جریان صورت گرفته است.
روش های افزایش انتقال حرارت:
انتقال حرارت را با تکنیک های تقویتی مختلفی که در زیر می آید می توان افزایش داد. به طور کلی این تکنیک ها اینگونه دسته بندی می شوند:
۱) روش های غیر فعال
۲) روش های فعال
۳) روش های تلفیقی
روش های غیرفعال:
در این تکنیک ها به طور کلی از اصلاحات سطح یا هندسه کانال جریان توسط ابزارهای اضافی یا افزودنی ها، استفاده می شود. این روش ها ضرایب انتقال حرارت بالاتری را با آشفته کردن یا تغییر رفتار جریان تولید می کنند که البته منجر به افزایش افت فشار نیز می شود. اگر سطوح گسترش یافته داشته باشیم، انتقال حرارت مؤثر اطراف سطح گسترش یافته افزایش می یابد. روشهای غیرفعال این مزیت را نسبت به روش های فعال دارند که به طور مستقیم به ورود نیروی خارجی نیازمند نیستند.
این روش ها به ورود مستقیم نیروی خارجی نیازمند نیستند؛ بلکه از خود سیستم نیروی لازم را تأمین میکنند که نهایتاً منجر به افزایش افت فشار سیال خواهد شد. این تکنیک ها به طور کلی با اصلاح سطح یا هندسه ی کانال جریان با ترکیب یا یکی کردن ابزارهای اضافی با کانال ، اعمال می شود. این روشها ضرایب انتقال حرارت بالاتری را با آشفته کردن یا تغییر رفتار جریان تولید می کنند که البته منجر به افزایش افت فشار نیز می شود. تقویت انتقال حرارت توسط این روشها از طرق مختلفی که در ادامه ذکر می شود انجام می گیرد:
۱) سطوحی که روی آنها عملیاتی انجام شده است: این سطوح به دلیل پرداخت یا پوشش دهی خوبشان، از مقیاس تغییر خوبی برخوردار هستند که ممکن است ممتد یا غیر ممتد باشد. این ها معمولا در مصارف چگالیدن و جوشیدن استفاده می شوند.
۲) سطوح خشن: اصطلاحا به سطوحی گفته می شود که آشفتگی را در میدان جریان را در نواحی دیواره و نه در نواحی سطوح انتقال حرارت، افزایش می دهند. از این روش اغلب در جریانهای تک فاز استفاده میشود.
۳) سطوح گسترش یافته: این سطوح افزایش انتقال حرارت مؤثر را فراهم می کنند. پیشرفت های اخیر منتج به سطوح پرمدار اصلاح شده ای است که علاوه بر افزایش سطح، ضرایب انتقال حرارت بهتری را با توزیع میدان جریان تولید می کنند.
۴) ابزارهای جابه جا کننده: اینها ابزارهایی هستند که مخصوصا برای انتقال حرارت جابه جایی اجباری محدود استفاده می شوند، و به طور غیر مستقیم انتقال انرژی را در سطوح تبادل انتقال حرارت بهبود می بخشند. اینکار از طریق جابه جایی سیال از سطح گرم یا سرد شدهی مجرا، با توده ی سیال در هسته ی جریان، انجام می گیرد.
۵) ابزارهای چرخش جریان: این ابزارها به جریان محوری درون کانال، جریان چرخشی یا بازچرخش ثانویه را اعمال میکنند. اینها شامل، ابزارهای الحاقی لوله مانند تسمه خورشیدی یا نوارپیچ خورده است. این ابزار قابل استفاده برای جریان های تکفاز و دو فاز است.
۴) لوله های فنری شکل: اینها نسبتا مبدل های حرارتی منسجم تری را تولید می کنند. این باعث می شود که جریان های ثانویه و گردابه هایی بوجود می آورد که ضرایب انتقال حرارت را در جریان های تک فاز مانند بسیاری از نواحی در حال جوشش افزایش می دهد.
۷) ابزارهای تنش سطح اینها شامل سطوحی با شیار یا برجستگی است، که جریان مایع را به سطوح جوش آورنده و از سطوح چگالنده هدایت می کند و بهبود می دهد.
۸) مواد افزودنی به مایعات: این روش شامل اضافه کردن ذرات جامد، مقادیری محلول مواد افزودنی، و حباب های گاز در جریان های تک فاز است که اغلب از تنش سطحی مایع در سیستم های غلیانی می کاهد.
9) مواد افزودنی برای گازها: اینها شامل قطرات مایع و ذرات جامد می شود که به عنوان جریان گاز تک فاز شناخته شده است چه با عنوان فاز رقیق (محلول گازجامد) و یا فاز متراکم( بسترهای سیال شده).
روش های فعال:
این روش ها به لحاظ استفاده و طراحی بسیار پیچیده است، چنانکه نیازمند نیروی ورودی خارجی است تا اصلاحات مطلوب جریان و بهبودی نرخ انتقال حرارت را نتیجه دهد. این روش به دلیل نیاز به نیروی خارجی در بسیاری از کاربردهای عملی، استفادهی محدودی دارد . برخلاف روش های غیر فعال، این روش ها پتانسیل بالایی را نشان نداده اند، چنان که فراهم کردن نیروی ورودی خارجی در موارد زیادی مشکل است. در این موارد، نیروی خارجی برای اصلاح جریان و به طور همزمان بهبود نرخ انتقال حرارت استفاده می شود. افزایش انتقال حرارت در این روش به وسیلهی شیوه های زیر قابل دستیابی است:
۱) کمک های مکانیکی: این ابزارها، جریان را با استفاده از وسایل مکانیکی با چرخاندن سطح تحریک می کنند و به حرکت درمی آورند. اینها شامل مبدل های حرارتی با لوله ها دوار و مبدل های حرارتی و جرمی با صفحه های تکه ای می شود.
۲) به لرزش در آوردن صفحه: این روش به جریان های تک فاز اعمال می شود تا ضرایب انتقال حرارت بالاتری را نتیجه دهد.
۳) به لرزش در آوردن سیال: این روش بیشتر برای جریان های تک فاز استفاده می شود که از کاربردی ترین روش های افزایش انتقال حرارت با تکنیک لرزش می باشد.
۴) میدان های الکترواستاتیک: این روش می تواند به شکل میدان های الکتریکی یا مغناطیسی و یا ترکیبی باشد که از منابع dc یا ac تولید می شود و قابل اعمال به سیستم های مبدل حرارتی است که حاوی سیالات دی الکتریک هستند. براساس کاربرد، حتی می تواند توده های مخلوط بزرگتری تولید کند و انتقال حرارت جا به جایی اجباری یا پمپ کردن الکترومغناطیسی را تحریک کند تا انتقال حرارت بهتری انجام دهند.
۵) تزریق: این تکنیک برای جریان تک فاز استفاده می شود و به روشی گفته می شود که سال مشابه یا متفاوتی از طریق بالادست ناحیه ی انتقال حرارت و یا با استفاده از سطوح انتقال حرارت متخلخل، به جریان توده ی سیال تزریق شود.
6) مکش: شامل بخار زدایی در غلیان فیلمی با هسته دار از طریق سطح متخلخل گرم شده، و یا خروج سیال از سطح متخلخل حرارت یافته در جریان تک فاز است.
۷) برخورد جت: به معنی جهت گرمایش یا سرمایش سیال ، عمود یا مورب بر سطح انتقال حرارت است.
روش های تلفیقی:
روش افزایش تلفیقی به روشی گفته می شود که بیش از یکی از روش های بالا در آن استفاده می شود تا بهبود بیشتری در کارکرد ترموهیدرولیکی یک مبدل حرارتی داشته باشیم. این روش طراحی پیچیده ای دارد و البته کاربردهایش محدود است.
انتقال حرارت جابجایی:
امروزه انرژی نقش حیاتی را در توسعه و پیشرفت جوامع بشری ایفا می کند و انتقال انرژی به ویژه انتقال حرارت از مباحث مهم و پرکاربرد در بخش های مهم نظیر صنعت، ساختمان و … می باشد. صنایع بزرگ امروزی نیازمند مبدل های حرارتی با قابلیت انتقال حرارت بالا و اندازه کوچک می باشد. برای دستیابی به این هدف، لازم است کارایی مبدل حرارتی را با بکارگیری روش های افزایش انتقال حرارت، به میزان قابل توجهی افزایش داد. انتقال حرارت به طور موثر با تغییر هندسه جریان، شرایط مرزی و یا تغییر خواص ترموفیزیکی سیال افزایش می یابد. روش های افزایش انتقال حرارت در مبدلهای حرارتی به ترتیب به منظور کاهش اندازه و افزایش عملکرد استفاده می شود. این روش ها به طور عمده به سه دسته تقسیم بندی می شود:
روش های فعال که به نیروهای خارجی نظیر نیروهای مکانیکی، لرزش سطح، لرزش جریان، میدان های الکترواستاتیکی، تزریق و مکش برای افزایش انتقال حرارت نیاز دارد.
روش های غیرفعال که بدون نیاز به نیروهای خارجی و از طریق اقداماتی نظیر تغییر در هندسه، زبر کردن و پره دار کردن سطوح، ایجاد خم، موج، مارپیچ و انحنا در کانال ها، چرخشی کردن جریان، آشفته کردن لایه مرزی و اضافه کردن ذرات جامد به سیال پایه باعث افزایش انتقال حرارت می شود.
روش های مرکب هم ترکیبی از روش های فعال و غیرفعال می باشد. انتقال حرارت جابه جایی برای بسیاری از صنایع حرارتی و تجهیزات خنک کننده بسیار مهم است.
یکی از روش های غیر فعال استفاده شده در مبدل های حرارتی تغییر هندسه برای افزایش بازدهی لوله های استفاده شده در مبدل می باشد.
انتقال حرارت معمولا به حرکت حرارت از دمای بالا به دمای پایین گفته می شود. در زمانیکه بین دو نقطه گرادیان دمایی (اختلاف دما) وجود داشته باشد، بین آنها انتقال حرارت صورت می گیرد.
انتقال حرارت جابه جایی یا همرفت، صورتی از انتقال انرژی بین یک سطح جامد و مایع یا گاز متحرک موجود در مجاورت آن است که ترکیبی از اثرات هدایت و حرکت سیال را در خود دارد. درواقع، انتقال حرارت همرفتی، جابجاشدن حرارت از یک مکان به مکان دیگر در اثر حرکت سیال است. درواقع فرآیندی است که در آن جابجا شدن حرارت در اثر جابجا شدن جرم رخ می دهد. هرچه حرکت سیال سریع تر باشد، نرخ انتقال حرارت بیشتر است. در غیاب هرگونه حرکت تودهای درون سیال، انتقال حرارت بین یک سطح جامد و سیال مجاور آن، به صورت هدایت ضعیف رخ می دهد.
وجود حرکت توده ای در سیال، نرخ انتقال حرارت را افزایش می دهد، اما محاسبات آن را پیچیده می کند. اگر یک سطح خنک شونده با جریان هوا را در نظر بگیرید، در ابتدا انرژی سطح از طریق هدایت به لایه هوای مجاور منتقل شده و پس از آن، این انرژی توسط جابجایی مولکول ها از سطح دور می شود. درواقع، این نوع انتقال حرارت با ترکیبی از هدایت و حرکت توده ای با میکروسکوپی ذرات سیال که لایه مجاور را از سطح دور کرده و آن را با هوای خنک تر جایگزین می کند.
انتقال حرارت جابجایی، به سه صورت اجباری، آزاد و جوشش و چگالش رخ می دهد. جابجایی اجباری زمانی رخ می دهد که سیال توسط یک نیروی خارجی(توسط پمپ، فن و یا باد)، به صورت اجباری بر روی یک سطح جریان پیدا کند. جابجایی آزاد زمانی اتفاق می افتد که حرکت سیال توسط نیروی شناوری که به خاطر اختلاف چگالی(معمولاً در اثر گرادیان دما در سیال رخ می دهد) است، صورت گیرد. جوشش و چگالش فرآیندهای جابه جایی در تغییر فاز سیالات هستند و در فصل مشترک جامد و مایع رخ میدهند. یک تعریف ساده و کاربردی برای جوشش عبارت است از تغییر حالت سیال از مایع به بخار با انتقال گرما از سطح به سیال و نیز چگالش یا میعان عبارت است از تغییر از فاز بخار به مایع در اثر از دست دادن حرارت و عموما هنگامی رخ می دهد که بخار در معرض دیوار سرد قرار گیرد. در هر دوی این فرایندها، گرمای نهان تبخیر، نقشی کلیدی ایفا می کند.
بنابراین به طور خلاصه مکانیسم انتقال حرارت جابه جایی به صورت زیر خلاصه می شود:
1-برخورد اتفاقی ذرات و انتقال انرژی.
٢. انتقال انرژی بر اثر حرکت کلی سیال.
عمدتاً انتقال حرارت جابجایی زمانی مطرح است که تبادل انرژی بین یک سطح و سیال مجاور آن موردنظر باشد. در انتقال حرارت جابه جایی اجباری دو نوع رژیم جریان ایجاد می شود، وقتی سرعت پایین است، جریان یکنواخت و آرام و وقتی سرعت بالا باشد جریان نامنظم و آشفته است. آشفتگی حالتی از حرکت سیال است که توسط حرکات نامنظم و تصادفی مشخص می شود. جریان آشفته دورانی می باشد. به عبارتی دارای گردابه (ورتیسیته) است ولیکن مشخصه جریان آشفته رینولدز بالا این است که گردابه ها یا همان ورتیسیتی دارای شدت، مقیاس کوچک، تغییرات بی نظم در زمان و مکان می باشند. بعد از ایجاد جریان آشفته در رینولدزهای بالا، ناپایداری های جریان مسئول تداوم مداوم آشفتگی و تولید گردابه های بزرگ مقیاس می باشند. این گردابه ها خود ناپایدار بوده و به گردابه های کوچکتر شکسته می شوند. فرایند کوچکتر شدن گردابه ها تا حدی که اهمیت لزجت قابل توجه شود، ادامه پیدا می کند. این سلسله فرآیند که در آن گردابه های کوچک مقیاس از گردابه های بزرگ مقیاس تولید می شوند به طور مداوم در جریان آشفته رینولدز بالا ادامه پیدا می کند. بدین ترتیب انرژی از گردابه های بزرگتر به گردابه های کوچکتر انتقال پیدا می کند تا اینکه در کوچکترین مقیاس ها توسط لزجت به حرارت داخلی سیال تبدیل می شوند به این فرآیند آبشار انرژی می گویند.
به واسطه همین آبشار انرژی، جریان های آشفته سریعاً انرژی خود را از دست می دهند و برای حفظ آشفتگی همیشه نیاز مستمر به یک نیروی محرکه خارجی دارند. به محض قطع این نیروی محرکه، آشفتگی سریعة مضمحل شده و جریان آرام می گردد. نوع پروفیل سرعت در جریان آشفته باعث اختلاط و انتقال بسیار سریع جرم، مومنتوم و انرژی می شود. این انتقال و پخش سریع توسط توده ای از ذرات سیال که همان ادی ها می باشند صورت می پذیرد. ادی ها به طور طبیعی سه بعدی می باشند حتی اگر جریان دو بعدی باشد و در اندازه های مختلف با هم در ارتباط بوده و به طور طبیعی ناپایدار و کم دوام هستند. ادی های بزرگتر به ادیهای کوچکتر و کوچکتر شکسته میشوند و در نهایت به صورت برش لزجی تلف می شوند. یکی از مثال های متعدد از جریان آشفته، جریان عبوری از روی دسته لوله ها در طراحی انواع مبدل های حرارتی و انتقال و جابه جایی سیالات می باشد.
جریان های آشفته را میتوان به طورکلی در سه گروه طبقه بندی نمود:
1-جریان های شبکه ای – مانند
2-جریان های لایه های برشی دیوار.
3-جریان های لایه های برشی آزاد یا لایه های اختلاط.
جریان های آشفتگی شبکه –مانند نوعی جریان آشفته می باشد که خود ماندگار نیست. برای تولید این نوع جریان، شبکه ای به طور عمود در جهت جریان یکنواختی قرار داده می شود. نوع دوم جریان های لایه های برشی دیوار می باشد. حضور دیوار در یک جریان، تأثیر به سزایی در فرآیند تولید آشفتگی دارد. نوع سوم از جریان های آشفته، جریان های لایه های برشی آزاد می باشد. این نوع جریان ها شامل انواع جریان های جت، دنباله و لایه های اختلاطی بین دو مایع با سرعتهای مختلف می باشند. یک محدوده گذرش در نزدیکی مبدأ این جریان ها، باعث تولید محدوده آشفتگی میگردد.
دسته لوله ها و کاربردشان:
وقتی جریان سیال از روی دسته لوله ها عبور می کند. انرژی سیال با لوله ها و درنتیجه سیال داخل لوله ها مبادله می شود. جهت انتقال حرارت می تواند از سیال سمت پوسته به سیال داخل لوله ها بوده و در برخی اوقات ممکن است برعکس باشد. عموماً در مبدلهای گرمایی فشرده از لوله هایی با سطح مقطع دایروی استفاده می شود. علت این موضوع دسترسی آسان به این شکل متداول از لوله ها و همچنین نسبت انتقال گرما به افت فشار مناسبی است که در هنگام استفاده از آنها وجود دارد. همچنین از نظر هندسی تمرکز تنش محلی روی آن وجود ندارد و این بدان معنا است که ضخامت دیوار و متناسب با آن مقاومت حرارتی دیواره می تواند در کمترین حالت خود باشد. اما مطالعات اخیر دیگر سطح مقاطع را به خصوص برای کاهش اثر رسوب پیشنهاد می کند.
دسته لوله ها در صنعت کاربرد فراوانی دارند. به عنوان مثال میتوان دسته لوله ها را در مبدل های حرارتی، بویلرها، مولدهای بخار، سیستم های لوله کشی زیر آب و صنایع دریایی مشاهده نمود. هر یک از این نمونه ها شامل سیالی است که از روی مجموعه ای از لوله ها که با آرایش خاصی کنار هم قرار دارند عبور می کند. همچنین میتوان از دسته لوله ها برای بازیافت انرژی گاز خروجی از دودکش ها استفاده کرد، بسیاری از صنایع از گازهای داغ به عنوان سیالی که پتانسیل بازیابی حرارتی را دارد استفاده می کنند. در صورتیکه این گازها به خوبی فیلتر شوند و مشکل رسوب گذاری آنها حل گردد، به نحو بهتری می توان از آنها در مبدل های حرارتی استفاده کرد. یک روش ساده برای افزایش بازدهی انرژی در فرآیندهای مختلف بازیابی گرما از جریان گاز دودکش ها و اگزوزها است که برای پیش گرم کردن جریان گاز سرد ورودی یا دیگر چاه های حرارتی می توان از آن استفاده کرد. این فرآیند باعث ذخیره ۲۵-۲۰ درصدی انرژی در صنایع مختلف می شود. با نصب فیلتر و حذف ذرات از این گازها مثلا در هنگام استفاده در بویلرها از ایجاد ضخامت 5 میلی متری رسوب روی قسمت گاز داغ و کاهش ۵ درصد ضریب انتقال حرارت می توان جلوگیری کرد.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی جریان سیال و انتقال حرارت بر روی دسته لوله ها با آرایش مثلثی در نرم افزار انسیس فلوئنت ANSYS FLUENT انجام شده است.
هندسه مسئله:
هندسه مسئله در نرم افزار انسیس دیزاین مدلر(ANSYS Design Modeler) ترسیم شده است.
آرایشی مثلثی 4 ردیفه:
آرایش مثلثی 6 ردیفه:
شبکه و مش:
شبکه و مش در نرم افزار انسیس مشینگ(ANSYS 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 آشفتگی دو معادله ایSST k-ω استفاده شده است.
سیال:
سیال مورد استفاده هوا می باشد که خواص آن در شکل زیر نشان داده شده است.
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:
