شماره مدرك
21210
شماره راهنما
18173
پديد آورنده
خسروي كوچ، علي
عنوان
مطالعه عددي سه بعدي انتفال حرارت جابجايي تركيبي ار دو استوانه متصل به كف در آرايش مجاور هم
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي
تبديل انرژي
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1405
صفحه شمار
بيست و دو،157ص:مصور،جدول،نمودار
توصيفگر ها
انتقال حرارت جابجايي تركيبي متقاطع و كمكي , شبيه سازي عددي سه بعدي , دو استوانه مجاورهم , عدد ريچاردسون , عدد رينولدز , نسبت منظري
تاريخ ورود اطلاعات
1405/06/02
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك
دانشكده
مهندسي مكانيك
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/06/03
كد ايرانداك
23244597
چكيده فارسي
هدف از انجام اين پژوهش، بررسي عددي جريان سيال و انتقال حرارت جابجايي تركيبي پايا و سهبعدي پيرامون دو استوانه دايرهاي متصل به سطح با دماي ثابت در آرايش كنار هم است. در اين مطالعه، اثر پارامترهاي مؤثر شامل عدد رينولدز در محدوده 40 تا 100، عدد ريچاردسون در بازه صفر تا 2، نسبت منظري 2 تا 4 و نسبت فاصله مركز به مركز دو استوانه در محدوده 2 تا 5 براي سيال هوا با عدد پرانتل 7/0 در دو نوع جابجايي تركيبي كمكي و متقاطع مقايسه گرديد. شبيهسازيهاي عددي با استفاده از روش حجم محدود در نرمافزار انسيس فلوئنت انجام شد. حل معادلات حاكم با حلگر فشارمبنا، الگوريتم كوپل فشار و سرعت و طرح گسستهسازي مرتبه دوم انجام گرفت. بهمنظور اطمينان از صحت نتايج، اثر ابعاد دامنه محاسباتي و استقلال از شبكه بررسي شد و شبكه بهينه شامل حدود 6/2 ميليون سلول براي شبيهسازيهاي نهايي انتخاب گرديد. نتايج نشان داد افزايش فاصله دو استوانه، اثرات متقابل هيدروديناميكي و حرارتي را تضعيف كرده و رفتار جريان را به شرايط استوانه منفرد نزديك ميسازد. افزايش عدد ريچاردسون در هر دو نوع جابجايي، انتقال حرارت و نيروهاي وارد بر استوانهها را افزايش داد، اما شدت اين اثر در جابجايي متقاطع بهمراتب بيشتر بود؛ بهگونهاي كه ضريب برآ (نيروي عمودي) در اين رژيم تا حداكثر حدود شش برابر حالت اجباري مي رسد. در مقابل، جابجايي كمكي به دليل همجهتي نيروي شناوري با جريان اصلي، شرايط پايدارتر و كنترلشدهتري ايجاد مي شود. بررسي عدد رينولدز نشان داد در اعداد رينولدز پايين، ميدان جريان حساسيت بيشتري به نيروي شناوري دارد، زيرا كاهش اثرات اينرسي، نقش نيروهاي شناوري را در تغيير ساختار جريان برجستهتر ميكند. همچنين عدد ناسلت در جابجايي كمكي بين 24 تا 26 درصد و در جابجايي متقاطع بين 20 تا 28 درصد نسبت به حالت اجباري بهبود مي يابد. بررسي نسبت منظري نشان داد افزايش ارتفاع استوانهها يا نسبت منظري در جابجايي متقاطع باعث افزايش نيروي عمودي تا 50 درصد افزايش ميشود. تحليل ميدان جريان سهبعدي نشان داد تفاوت اصلي دو نوع جابجايي تركيبي، ناشي از نحوه تعامل جريان اصلي، ميدان شناوري و گردابههاي نوك و پشت استوانهها است. در جابجايي كمكي، همجهتي شناوري با جريان اجباري، ناحيه بازچرخشي را كاهش و پايداري دنباله را افزايش ميدهد، درحاليكه در جابجايي متقاطع، جت صعودي قوي در فضاي بين دو استوانه، تقارن ميدان را شكسته و شدت گردابهها را تا سه برابر افزايش ميدهد. اين گردابههاي قوي، گراديان فشار عمودي شديدي ايجاد كرده و دليل اصلي افزايش چشمگير نيروي عمودي درجابجايي متقاطع هستند. در فواصل دور نيز ستونهاي حرارتي مجدداً ادغام ميشوند كه نشاندهنده نقش غالب ميدان شناوري عمودي است. همچنين تحليل قانون دوم ترموديناميك نشان داد كه در تمامي شرايط بررسيشده، سهم اصلي توليد آنتروپي مربوط به اتلاف اصطكاكي بوده و سهم انتقال حرارت كمتر از حدود پنج درصد كل توليد آنتروپي است. همچنين، مقدار توليد آنتروپي در جابجايي كمكي كمتر از جابجايي متقاطع است كه نشاندهنده عملكرد ترموديناميكي بهتر اين نوع جابجايي است. در مجموع، اگرچه جابجايي متقاطع توانايي بيشتري در افزايش انتقال حرارت دارد، اما به دليل افزايش شدت گردابهها، نيروهاي هيدروديناميكي و اتلاف انرژي، عملكرد ترموديناميكي ضعيفتري نسبت به جابجايي كمكي ارائه ميدهد. بنابراين، انتخاب جهت مناسب نيروي شناوري ميتواند نقش مهمي در ايجاد تعادل ميان افزايش انتقال حرارت، كنترل ساختار جريان سهبعدي، كاهش بارهاي مكانيكي و بهبود عملكرد سامانههاي حرارتي شامل استوانههاي متصل به سطح داشته باشد.
چكيده انگليسي
The objective of this research is to conduct a numerical investigation of steady, three-dimensional fluid flow and mixed convection heat transfer around two isothermal circular cylinders attached to a surface in a side-by-side arrangement. In this study, the effects of key parameters, including Reynolds number in the range of 40 to 100, Richardson number from 0 to 2, aspect ratio from 2 to 4, and center-to-center spacing ratio of the two cylinders from 2 to 5, were compared for air as the working fluid with a Prandtl number of 0.7 under both aiding and cross mixed convection regimes. Numerical simulations were performed using the finite volume method in ANSYS Fluent software. The governing equations were solved using a pressure-based solver, the pressure-velocity coupling algorithm, and second-order discretization schemes. To ensure result accuracy, the effects of computational domain dimensions and grid independence were examined, and the optimal grid comprising approximately 2.6 million cells was selected for the final simulations. The results demonstrated that increasing the distance between the two cylinders weakens the hydrodynamic and thermal interactions, causing the flow behavior to approach that of a single isolated cylinder. Increasing the Richardson number enhanced heat transfer and the forces acting on the cylinders in both convection regimes; however, the intensity of this effect was considerably greater in cross convection, such that the lift coefficient (vertical force) in this regime reaches up to approximately six times that of the forced convection case. In contrast, aiding convection, due to the alignment of buoyancy force with the main flow, establishes more stable and controlled conditions. The Reynolds number analysis revealed that at low Reynolds numbers, the flow field exhibits greater sensitivity to buoyancy force, as reduced inertial effects render the role of buoyancy forces more prominent in altering the flow structure. Furthermore, the Nusselt number in aiding convection improves by 24% to 26%, and in cross convection by 20% to 28%, compared to the forced convection case. The aspect ratio study indicated that increasing the cylinder height or aspect ratio in cross convection amplifies the vertical force by up to 50%. Analysis of the three-dimensional flow field showed that the primary difference between the two mixed convection regimes stems from the manner in which the mainstream flow, buoyancy field, and tip and wake vortices behind the cylinders interact. In aiding convection, the alignment of buoyancy with the forced flow reduces the recirculation zone and enhances wake stability, whereas in cross convection, a strong upward jet in the gap between the two cylinders breaks the symmetry of the field and intensifies vortex strength by up to threefold. These strong vortices generate steep vertical pressure gradients, which constitute the primary reason for the significant increase in vertical force in cross convection. At larger spacings, thermal plumes merge again, indicating the dominant role of the vertical buoyancy field. Additionally, second-law thermodynamic analysis revealed that under all investigated conditions, the major contribution to entropy generation is due to frictional dissipation, while the heat transfer contribution accounts for less than approximately five percent of the total entropy generation. Moreover, the entropy generation rate in aiding convection is lower than in cross convection, indicating the superior thermodynamic performance of this convection regime. In conclusion, although cross convection possesses a greater capacity for enhancing heat transfer, it exhibits weaker thermodynamic performance compared to aiding convection due to intensified vortices, increased hydrodynamic forces, and higher energy dissipation.
استاد راهنما
احمد سوهان كار اصفهاني
استاد داور
علي انصاري , محمدرضا توكلي نژاد