توصيفگر ها :
نوسان ساز سيال , انتقال حرارت , صفحه داغ , ديفيوزر خروجي , ضريب مقياس هندسي
چكيده فارسي :
در بسياري از مطالعات گذشته به بررسي اثر پارامترهاي هندسي مختلف نوسان‌سازهاي سيال بر روي ضريب انتقال حرارت صفحه داغ برخورد شده توسط يك جت نوساني پرداخته‌اند. در اين تحقيق، از نرم افزار Ansys-Fluent، براي حل معادلات گذراي دو بعدي متوسط رينولدز ناوير-استوكس (URANS) و مدل آشفتگي k-ω (SST) استفاده شده است. همچنين، اثر پارامترهاي هندسي بر نرخ انتقال حرارت صفحه داغ خنك‌شده با جت نوساني خارج شده از نوسان‌ساز سيال شبيه‌سازي شده است. برخي از اين تغييرات هندسي همانند حذف ديفيوزر خارجي، تغيير زاويه واگرايي ديفيوزر خروجي، و تغيير فاصله از گلوگاه خروجي تا صفحه داغ در اين پژوهش مورد بررسي قرار گرفته است. در بخش دوم پژوهش، به سبب اهميت و كاربرد نوسان‌ساز سيال در داخل پره‌هاي توربين، تأثير مقياس كردن هندسه نوسان‌ساز سيال نيز با ضرائب مقياس 33/0، 5/0 و 3/1 بررسي شده است. سه فاصله گلوگاه ديفيوزر خروجي تا صفحه و چهار زاويه واگرايي ديفيوزر خروجي در اعدا رينولدز 30،000، 60،000 و 120،000 به عنوان پارامترهاي هندسي و جريان در اين پژوهش انتخاب شده‌اند. تجزيه و تحليل عددي نشان مي‌دهد كه ضريب انتقال حرارت با حذف ديفيوزر خروجي افزايش چشم‌گيري مي¬يابد، در حالي كه با افزايش نسبت فاصله و زاويه واگرايي اين مقدار كاهش مي‌يابد. نتايج بخش مقياس‌بندي هندسي نشان داد كه نوسان‌ساز سيال مقياس‌شده بالاترين ضريب انتقال حرارت را دارد، به طوري كه حداكثر عدد ناسلت براي ضريب مقياس 33/0رخ مي‌دهد. علاوه بر اين، اثر تغيير عدد رينولدز بر فركانس جت نوساني به صورت عددي براي هندسه‌هاي مقياس‌بندي شده مختلف مورد مطالعه قرار گرفت تا تعريف جديدي از عدد استروهال براي اين نوع هندسه¬ها به دست آيد. تشكيل جت نوساني با تشكيل گردابه جدايش در محفظه اختلاط مرتبط بود و مقياس طول مناسب مرتبط با فركانس نوسان تعيين شد. مطالعه صورت گرفته نشان داد كه عدد استروهال بر اساس تعريف جديد براي هندسه‌هاي مختلف مقياس شده ثابت باقي مي‌ماند.
در بخش تجربي پژوهش، عملكرد انتقال حرارت يك نوسان‌ساز سيال همراه با و بدون ديفيوزر خروجي و نوسانگر سيال جديد طراحي شده، از طريق روش تجربي فسفر ترمومتري مقايسه شد. اين روش مبتني بر طول عمر است كه براي به دست آوردن ميدان دماي لحظه‌اي در طيف گسترده‌اي از دماهاي بالا استفاده مي‌شود. Mg4FGeO6:Mn به عنوان ماده حسگر انتخاب شده و با استفاده از UV-LED برانگيخته مي‌شود. براي گرفتن عكس از صفحه داغ از دوربيني با سرعت 4000 تصوير بر ثانيه استفاده شد. محدوده دمايي 25-325 درجه سانتي‌گراد براي آزمايش كاليبراسيون در نظر گرفته شد و نتايج به خوبي با داده هاي ترموكوپل مطابقت داشت. اثر دبي جرمي و نسبت فاصله گلوگاه تا صفحه برخورد شده توسط جت نوساني نوسان‌ساز سيال براي به دست آوردن عدد ناسلت بهينه مورد بررسي قرار گرفت. نتايج نشان داد نوسان‌ساز جديد طراحي شده داراي اثر خنك‌كنندگي بالاتري نسبت به انواع ديگر نوسان-سازهاي سيال است. علاوه بر اين، نوسان‌ساز جديد بيشتر تحت تاثير دبي جرمي در مقايسه با دو هندسه نوسان‌ساز ديگر قرار دارد.
چكيده انگليسي :
Many studies have carried out on the effects of various geometrical parameters of fluidic oscillators on the heat transfer rate of a hot plate impinged by a sweeping jet. In this research, Ansys-Fluent software was used to solve the two-dimensional unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) equations with a k-ω (SST) turbulence model to study the effect of some new geometrical changes, such as removing the external diffuser, the divergence angle of the external diffuser, and the distance from the outlet throat to the hot plate, on the heat transfer rate of a hot plate. Accommodation of fluidic oscillators inside of a turbine blade, the effect of scalling the geometry of the fluidic oscillator was also investigated with the scale factor of 0.33, 0.5, and 1.3. An experimental setup was provided to verify the numerical results of the fluidic oscillator with an external diffuser. To measure the temperature inside and near the surface, 22 thermocouples were used inside a thick hot plate, which was impinged by a sweeping jet. Three distance ratios (X/D = 4.5, 5.5 and 7.5) and four divergence angles (θ = 180^°,50^°, 70^°, and 90^°) were numerically analyzed as the geometrical parameters, at the Reynolds numbers of 30,000, 60,000, and 120,000. The results revealed that the heat transfer rate increases by 140% by removing the external diffuser at X/D = 4.5 and Re = 60,000, while it decreases by increasing the distance ratio and divergence angle. The results of the geometry scaling revealed that the subscaled fluidic oscillator has the highest heat transfer rate, such that the maximum Nusselt number occurs for S.F. = 0.33. Furthermore, the effect of changing the Reynolds number on the frequency of the self-sustained oscillating jet was numerically studied for the different scaled geometries to obtain a new general definition of the Strouhal number. The formation of the oscillating jet was correlated with the evolution of the separation bubble in the mixing chamber, and an appropriate length scale associated with the oscillation frequency was determined. An in-depth study demonstrated that the Strouhal number based on the new definition remained constant for the various scaled geometries. Bedside the numerical investigation, the heat transfer performance of a conventional fluidic oscillator with and without an external diffuser and a newly designed fluidic oscillator was compared via phosphor thermometry technique. A lifetime-based method was used in two-dimensional phosphor thermography for data processing to obtain the instantaneous temperature field in a wide range of high temperatures. Mg4FGeO6:Mn was chosen as a sensor material and was excited using a UV-LED. A high-speed camera at 4000 fps was used to capture images of the hot plate. A temperature range of 25-325℃ was considered for the calibration test, and the results agreed well with data from thermocouples. The effect of the mass flow rate and throat-to-plate distance ratio of the three fluidic oscillators was investigated to obtain the optimum Nusselt number. The results highlighted that the newly designed fluidic oscillator has higher cooling effects than the other types of fluidic oscillators. In addition, the newly designed oscillator was more affected by the mass flow rate and throat-to-plate distance ratio compared to the others.
