توصيفگر ها :
انتقال حرارت جابجايي تركيبي , عدد ريچاردسون , شبيه‌سازي عددي , استوانه متصل به سطح , عدد رينولدز , عدد پرانتل
چكيده فارسي :
بررسي انتقال حرارت جابجايي تركيبي از اجسام جريان بند، به خصوص در استوانه‌ها، در بسياري از كاربردهاي مهندسي مانند خنك كاري قطعات الكترونيكي اهميت دارد. در اين پژوهش، شبيه‌سازي انتقال حرارت جابجايي تركيبي از يك استوانه با مقطع دايره‌اي سه‌بعدي متصل به كف، انجام شد. اين شبيه‌سازي‌ها در محدوده اعداد ريچاردسون 0 تا 1 و در اعداد رينولدز 40 و 80 براي نسبت‌هاي منظري 1 تا 4 و براي سيال هوا با عدد پرانتل ثابت 0.7 صورت گرفت. شبيه‌سازي‌ها براي دوحالت جابجايي تركيبي كمكي و متقاطع انجام و تاثير عدد ريچاردسون و جهت نيروي شناوري بر ساختار جريان، ميزان انتقال حرارت و همچنين نيروهاي اعمالي به جسم مورد مطالعه قرار گرفت. شبيه‌سازي‌ها در حالت سه‌بعدي، خواص ترموفيزيكي ثابت، جريان دائم و آرام، بدون در نظر گرفتن چشمه حجمي حرارتي در سيال و با ناديده گرفتن اثرات استهلاك ويسكوز و با استفاده از تقريب بوزينسك در نرم افزار انسيس فلوئنت انجام شد. اين بررسي نشان مي‌دهد كه اندازه دامنه محاسباتي تاثير مهمي بر نتايج دارد. نتايج همچنين نشان داد كه در جابجايي تركيبي كمكي، در شرايط عدد رينولدز و نسبت منظري ثابت، با افزايش عدد ريچاردسون، مقدار عدد ناسلت افزايش مي‌يابد. بيشينه اين تغييرات %16.3 بود كه با افزايش عدد ريچاردسون از 0.25 به 1، در شرايط عدد رينولدز 40 و نسبت منظري 1 اتفاق افتاد. همچنين تاثير نسبت منظري بر روي افزايش عدد ناسلت در عدد رينولدز و ريچاردسون ثابت كم است. مقدار بيشينه اين تغييرات %8 بود كه در شرايط عدد رينولدز 40 و ريچاردسون 0.25 با افزايش نسبت منظري از 1 به 2 اتفاق افتاد. در جابجايي تركيبي متقاطع، همانند جابجايي تركيبي كمكي، در عدد رينولدز و نسبت منظري ثابت، افزايش عدد ريچاردسون موجب افزايش عدد ناسلت مي‌شد. بيشينه اين افزايش در شرايط عدد رينولدز 80 و نسبت منظري 1، با افزايش عدد ريچاردسون از 0.25 به 1 رخ داد كه مقدار اين افزايش حدود %17.9 بود. همچنين با افزايش عدد رينولدز در نسبت منظري و عدد ريچاردسون ثابت مقدار عدد ناسلت افزايش قابل توجهي پيدا مي‌كند. بيشينه اين تغيير برابر با %44.8 بود كه در شرايط عدد ريچاردسون 0.5 و نسبت منظري 2، با افزايش عدد رينولدز از 40 به 80 اتفاق افتاد. نتايج جابجايي تركيبي كمكي نشان داد كه تغييرات ضريب درگ فشاري نسبت به افزايش عدد ريچاردسون به شدت كاهشي است؛ به‌طوري كه در بعضي از موارد مقدار ضريب درگ فشاري منفي مي‌شود. اين درحالي است كه در جابجايي تركيبي متقاطع، با افزايش عدد ريچاردسون مقدار ضريب درگ فشاري افزايش پيدا مي‌كند. بيشينه اين تغييرات برابر با% 44.9 بود كه در عدد رينولدز 80 و نسبت منظري 2 ، با افزايش عدد ريچاردسون از 0.25 به 1 مشاهده شد. در هر دو حالت جابجايي تركيبي كمكي و متقاطع، در اعداد ريچاردسون و رينولدز ثابت، با افزايش نسبت منظري ضريب درگ فشاري افزايش پيدا مي‌كند اما اين افزايش براي جابجايي تركيبي متقاطع بسيار بيشتر از حالت جابجايي تركيبي كمكي است( حدود 1.6 برابر). همچنين در هر دو حالت جابجايي كمكي و متقاطع، افزايش عدد رينولدز، در نسبت منظري و عدد ريچاردسون ثابت، موجب كاهش ضريب درگ فشاري مي‌شد. همچنين در جابجايي تركيبي كمكي، ضريب درگ كل در عدد رينولدز و نسبت منظري يكسان، با افزايش عدد ريچاردسون كاهش پيدا مي‌كند. بيشينه اين تغيير در نسبت منظري 1 و عدد رينولدز 80، با افزايش عدد ريچاردسون از 0.25 به 1، حدود %100 كاهش يافت. اين به اين دليل بود كه ضريب درگ كل با افزايش عدد ريچاردسون به صفر نزديك شد. اين در حالي است كه در حالت جابجايي تركيبي متقاطع، افزايش عدد ريچاردسون موجب افزايش ضريب درگ كل مي‌شد. بيشينه اين تغيير در شرايط عدد رينولدز 40 و نسبت منظري 2 براي افزايش عدد ريچاردسون از 0.25 به 1 مشاهده شد كه حدود %48 بود. همچنين در هر دو حالت جابجايي تركيبي كمكي و متقاطع، ضريب درگ كل با نسبت منظري رابطه افزايشي و با عدد رينولدز رابطه كاهشي داشت. نتايج نشان داد كه تاثير جهت نيروي شناوري بر مقدار عدد ناسلت تقريبا كم است (كمتر ار 10 درصد) در حالي كه ضريب درگ كل در جابجايي متقاطع بيشتر از ضريب درگ كل در جابجايي تركيبي كمكي مي‌باشد (تا حدود دو برابر). اين نشان مي‌دهد كه جهت نيروي شناوري به شدت بر روي ضريب درگ كل تاثيرگذار است. عموما استفاده از روش جابجايي متقاطع منجر به كاهش انتقال حرارت و همچنين افزايش نيروي مقاوم شده بنابراين در نصب تجهيزات حرارتي استفاده از جابجايي متقاطع توصيه نمي‌گردد.
چكيده انگليسي :
In this study, numerical simulation of the mixed convection heat transfer from a three-dimensional wall-mounted circular cylinder was carried out. These simulations were performed for Richardson numbers between zero to one, Reynolds numbers 40 and 80 for aspect ratios 1 to 4 and for a constant Prandtl number of 0.7. Simulations were carried out for the two modes of aided mixed convection and cross mixed convection. The two and three dimensions simulations were performed with constant thermophysical properties, laminar flow, ignoring the effects of viscous dissipation under the Boussinesq approximation by Ansys Fluent software. The study was conducted in order to make the results independent of the grid and computational domain size. The results showed that in the aided mixed convection, under the condition of Reynolds number and constant aspect ratio, with the increase of Richardson number, the value of Nusselt number increases. In addition, It was observed that the effect of the aspect ratio on the increase of Nusselt number in the constant Reynolds and Richardson numbers is negligible. In cross mixed convection, as in aided mixed convection, in Reynolds number and constant aspect ratio, increasing Richardson number increases Nusselt number. Also, with the increase of the Reynolds number in the aspect ratio and the constant Richardson number, the values of the Nusselt number increase significantly. Again, the effect of increasing the aspect ratio on increase of Nusselt number is insignificant. The results in the aided mixed convection showed that the pressure drag coefficients strongly decrease with increasing of Richardson number and in some cases it becomes negative. While in the cross mixed convection, the pressure drag coefficient increases with the increase of the Richardson number. In aided mixed convection, the total drag coefficient decreases with the increase of Richardson number. Meanwhile, in the case of cross-mixed convection, the increase of Richardson's number causes the increase of the total drag coefficient. In both aided and cross mixed convection methods, with the increase of Richardson number, the values of Nusselt number increase. In fact, the effect of buoyancy force direction on Nusselt number has small effect (less than 10%). The total drag coefficient in cross mixed convection is higher than that of aided mixed convection (up to twice). This shows that the direction of the buoyancy force strongly affects the total drag coefficient. In general, the use of the cross mixed convection method leads to a decrease in heat transfer and an increase in drag force, so it is not recommended to use cross mixed convection in the installation of thermal equipments.
