توضیحات

پروژه شبیه سازی جریان پایا جت برخوردی به استوانه داغ در رژیم جریان آشفته در نرم افزار انسیس فلوئنت

بهبود انتقال حرارت همواره یکی از مسائل اصلی در کاربردهای صنعتی می باشد. افزایش راندمان انتقال حرارت درنهایت به کاهش هزینه های سرمایش یا گرمایش مجموعه و همچنین اندازه و وزن سیستم های سرمایشی و گرمایشی کمک شایانی می کند. واضح است که تکنیک های سرمایش اسپری و یا جت های برخوردی کارایی بیشتری نسبت به روش های خنک کاری به کمک فن های هوا و نیز سایر روش های متداول انتقال حرارتی دارند. همچنین بیشترین ضرایب انتقال حرارت را می توان به وسیله جت برخوردی همراه با جوشش و چگالش به دست آورد که در آن سرعت انتقال حرارت حدودا سه برابر بیشتر از روش های خنک کننده معمولی است. به طور کلی جت های برخوردی اعم از گاز یا مایع کاربردهای بسیاری در صنعت دارند چرا که انتقال حرارت و جرم محلی نسبتا بزرگی در یک سطح کوچک تولید می کنند. از جمله کاربردهای جت برخوردی می توان به خنک کاری های الکترونیکی فرآوری مواد غذایی و خشک کردن آنها، پردازش فلزات و پلاستیک و همچنین خنک کاری پره های توربین گازی اشاره کرد.

شکل تاثیر جریان جت برخوردی در خنک کاری پره توربین بخار.

همچنین این تکنیک در صنایع نظامی کاربرد فراوانی دارد و از آن برای خنک کاری پرتابگر موشک های بالستیک استفاده می کنند.

انواع جت برخوردی:

به طورکلی جت های برخوردی را می توان به سه دسته کلی جت های آزاد(free jet impingement)،  جت های محصور شده(confined jet impingement) و همچنین جت های غوطه ور(submerged jet impingement) تقسیم بندی کرد. در جت های آزاد معمولا یک سیال مایع در یک محیط گازی تخلیه می شود. در این جت ها دیوار بالایی و یا دیوار محصور کننده وجود ندارد. در جت های محصور شده یک سطح محصورکننده به موازات سطح برخورد وجود دارد که جریان سیال خروجی از نازل را محدود می کند. در جت های محصور شده، صفحه هدف به اندازه کافی نزدیک جریان خروجی از نازل قرار دارد تا بر روی ساختار جریان و منطقه گردش تاثیرگذار باشد. در جت های غوطه ور که عموما به صورت دوفازی می باشند نیز سیال خروجی از نازل مشابه سیال محیط اطراف آن است.

شکل انواع جریان های جت برخوردی.

نواحی جت برخوردی:

جت های برخوردی معمولاً از یک نازل گرد به قطر D یا یک شکاف مستطیلی به عرضW به یک محیط تخلیه شده و به یک صفحه برخورد می کنند. میدان جریان سیال در این جت ها معمولا به سه ناحیه تقسیم می شود: .. ناحیه جت آزاد(free jet zone)، ناحیه سکون(stagnation zone)، ناحیه جت دیواره(wall jet zone).

شکل شماتیک جریان جت برخوردی و نواحی آن.

ناحیه جت آزاد:

براساس شکل نازل و فاصله آن تا صفحه برخورد، جریان در ناحیه جت آزاد به دو قسمت هسته پتانسیل و لایه برشی تقسیم می شود. جریان در هسته پتانسیل غیر لزج بوده و سرعت در تمام آن ثابت بوده و برابر با سرعت جریان در خروجی از نازل می باشد. طول هسته پتانسیل بوسیله نرخ رشد لایه اختلاط جت در مرز آن با جریان آزاد محاسبه می شود. بطور کلی طول هسته پتانسیل به پروفیل سرعت خروجی جت و میزان اغتشاش آن بستگی داشته و هرچه پروفیل سرعت یکنواخت تر(مسطح) و میزان اغتشاش آن کم باشد طول هسته پتانسیل بیشتر است. در ناحیه برشی سرعت محوری با گسترش جت کاهش می یابد بطوریکه یک پروفیل زنگوله ای که می توان آن را با توزیع گوسی تقریب زد توسعه می یابد. بنابراین پروفیل سرعت که در خروجی نازل یکنواخت است با افزایش فاصله نسبت به خروجی نازل، تبادل اندازه حرکت بین جت و محیط آن باعث میشود که مرز آزاد جت پهن تر شده و هسته پتانسیل باریکتر شده و در پایین دست آن، پروفیل سرعت در سرتاسر سطح مقطع جت نایکنواخت بوده و بیشترین سرعت (سرعت مرکز جت) با دور شدن از خروجی نازل کاهش می یابد.

ناحیه سکون:

در منطقه برخورد یا سکون، جریان تحت تأثیر سطح برخورد قرار داشته و سرعت آن سریعاً در جهت های عمودی و افقی بترتیب کاهش و افزایش می یابد؛ ولی چون جریان بطور مداوم سیال با اندازه حرکت صفر را از محیط به داخل خود می کشد، شتاب افقی نمی تواند بطور نامحدود ادامه داشته باشد و جریان شتابدار در منطقه سکون به جریان جت دیواره با شتاب منفی تبدیل می شود. بنابراین با افزایش فاصله از نقطه برخورد، مؤلفه های سرعت موازی با صفحه از مقدار صفر به مقدار ماکزیمم رسیده و دوباره کاهش می یابد. ضخامت ناحیه سکون حدود 0.25 فاصله جت تا صفحه است. در ناحیه برخورد، جریان ۹۰ درجه می چرخد. در این ناحیه، فشار استاتیک ابتدا زیاد می شود که همراه با کاهش سرعت محوری است سپس در طول صفحه گرادیان فشار مطلوب باعث شتاب در جریان شده، با صفر شدن گرادیان فشار، شتاب جریان در طول صفحه شروع به کاهش می کند. پایان ناحیه سکون در راستای افقی، هنگامی است که گرادیان فشار صفر می شود که حدود 0.35 تا 0.5 برابر فاصله نازل تا صفحه برخورد است. در این ناحیه ضخامت لایه مرزی هیدرودینامیکی توسط نیروی اینرسی سیال تعیین می شود و ضخامت لایه مرزی حرارتی نیز بستگی به اختلاف دمای بین سیال و صفحه دیواره دارد. با گسترش جریان بر روی دیواره، ضخامت لایه مرزی هیدرودینامیکی و حرارتی افزایش می یابد.

ناحیه جت دیواره:

همانطور که پیشتر نیز گفته شد شروع ناحیه جت دیواره با صفر شدن گرادیان فشار در راستای افقی است. در این ناحیه لایه مرزی بر روی صفحه برخورد رشد کرده و اثرات لایه مرزی جریان بر روی صفحه افقی را می توان برای آن اعمال کرد. هنگامی که سطح بزرگ باشد لایه مرزی رشد کرده و ممکن است جریان دورانی برگشتی در آن نیز رخ دهد.

آشفتگی جریان جت:

در جریان آشفته، به واسطه فرایندهای اختلاطی شدید، به غیر از نواحی بسیار نزدیک به دیواره شکل لایه های جریان به راحتی قابل تشخیص نبوده و مولکولهای سیال مسیر مشخصی را طی نمی کنند. به عبارت دیگر جریان آشفته نوعی از جریان سیال است که در آن سیال تحت نوسانات جریانی و فرایندهای اختلاطی شدید قرار می گیرد. این رفتار برخلاف رفتار جریان آرام است که در آن جریان سیال تحت لایه ها و مسیرهای مشخص حرکت می نماید. در یک جریان آشفته اندازه سرعت در هر نقطه دائما تحت نوسانات و تغییرات، هم در اندازه و هم در راستای حرکتی، قرار می گیرد. به طوری که تشخیص موقعیت هر ذره در داخل میدان جریان و نیز در هر لحظه مشکل می باشد. همین وضعیت نوسانات دائمی و غیر مشخص در اندازه سرعت را می توان در اندازه فشار، دما و چگالی هر نقطه مشاهده نمود. به طور کلی یک جریان آشفته دارای خصوصیات ذیل می باشد:

١- بی نظمی مکانی و زمانی

۲- رینولدزهای بالا

٣- اضمحلال افزایش یافته انرژی و مومنتم

۴- اختلاط افزایش یافته و انتقال حرارت افزایش یافته

۵- سه بعدی بودن

۶- حرکات غالب گردابه ای.

میزان آشفتگی موجود در جریان آزاد را می توان بصورت گردابه های کوچک موجود در جریان آزاد در نظر گرفت که چنانچه این گردابه های کوچک در فضای مساعد برای رشد و نمو قرار گیرند، می توانند باعث آشفته شدن جریان گردند. جریانات جت (چه در حالت جریانات جت صفحه ای و یا جریانات جت دایروی سه بعدی) نمونه ای از جریانات مستعد آشفتگی می باشند. یک جریان آشفته به واسطه ادی های موجود در ساختار خود از یک جریان آرام تمیز داده می شود، ادیهای موجود در جریانات آشفته، باعث ایجاد نوسان در میدان سرعت، فشار، دما و چگالی و حتی غلظت جریان می شوند.

تاریخچه:

در سال ۱۹۶۶ برای نخستین بار مشخصات جت های برخوردی ارائه شد. این جت ها کاربردهای صنعتی متعددی از جمله حرارت دهی، خنک کاری، رطوبت زدایی و همچنین تولید شیشه یا فولاد دارند. از جمله موارد خنک کاری می توان به خنک کردن تراشه های کامپیوتری با میکروجت های هوا اشاره کرد که هوای با دمای ثابت را به سطح شیشه ای تراشه ها می دهد. جت های برخوردی راهی موثر و انعطاف پذیر برای انتقال انرژی و جرم را در کاربردهای صنعتی به وجود آورده است. از موارد دیگر کاربردهای انتقال حرارتی، خنک کاری مواد موجود در حین عملیات شکل دهی، عملیات حرارتی، حرارت دهی صفحات عدسی برای بخارزدایی، خنک کاری اجزاء توربین، خنک کاری قطعات حساس ماشین آلات، و بسیاری فرایندهای صنعتی دیگر می باشد. در برخی از این جت ها از یک سیال هوا یا مایع استفاده می شود و در برخی از مخلوط چند فاز. نتایج نشان داده است که سیستم اسپری تبرید مخلوط هوا و آب نرخ تبرید بالاتری نسبت به سیستم جت هایی که فقط از هوا استفاده می کنند، دارند. کاربردهای انتقال جرم شامل خشک کردن و براده برداری است. براده برداری شامل برشکاری و صیقل دادن می باشد. در برخی از این براده برداری ها در سیال جت از ذرات جامدی به عنوان ساینده استفاده شده است که باعث افزایش نرخ براده برداری می گردد. جت های برخوردی از پارامترهای مشخصه ای تشکیل شده اند نظیر نسبت فاصله جت از دیواره به قطر جت (H/d)، زاویه صفحه برخوردی نسبت به افق، هندسه صفحه برخورد، هندسه ی نازل جت، سرعت خروجی جت، عدد رینولدز خروجی جت، نوع سیال، اندازه ذرات جامد موجود در سیال و غیره، و همچنین پارامترهای مشخصه ی مربوط به انتقال حرارت می باشد. با تغییر هریک از این پارامترها می توان با توجه به پارامتر مهم مورد نظر، حالت بهینه را بدست آورد.

شکل طرحواره برخی از کاربردهای جت برخوردی.

جت برخوردی صفحه ای تخت بسیار مورد مطالعه قرار گرفته است. برای استفاده از جت های برخوردی در سیستم های تبریدی، مطالعات تجربی در شرایط مختلف صفحات برخوردی انجام شده است

شکل شرایط مختلف صفحات برخوردی.

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی جریان پایا جت برخوردی به استوانه داغ در رژیم جریان آشفته در نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT) انجام شده است.

هندسه مسأله:

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

شبکه و مش:

شبکه و مش در نرم افزار انسیس مشینگ(ANSYS Meshing) تولید شده است.

شبیه سازی و حل:

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

حلگر:

از حلگر فشار مبنا (pressure based) در شرایط پایا و متقارن(axisymmetric) استفاده شده است.

مدل لزجت:

مدل آشفتگی دو معادله ایSST k-ω  استفاده شده است.

سیال:

سیال مورد استفاده هوا می باشد.

دیواره لوله:

جنس دیواره لوله از فولاد می باشد.

وابستگی سرعت-فشار:

برای وابستگی سرعت-فشار از الگوریتم حل کننده پیوسته یا کوپل(coupled) استفاده شده است. برای معادلات فشار و مومنتوم و انرژی از طرح بالادست مرتبه دوم(second order upwind) استفاده شده است.

نمونه نتایج شبیه سازی: