Skip to main content
SUPERVISOR
Mohsen DavazdahEmami,Nili ahmadabadi Mehdi
محسن دوازده امامی (استاد راهنما) مهدی نیلی احمدآبادی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Jaber Sadeghiseraji
جابر صادقی سراجی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390

TITLE

Experimental Investigation and Numerical Simulation of Flow in the Vortex Tube
Ranque-Hilsch vortex tube is a simple mechanical device that has no moving components and is used as part of the equipment in the refrigeration system, where a high pressure fluid is entered the vortex tube through the entrance nozzles and splits into two flows with lower and higher temperature compared to inlet temperature, and in this way temperatures up to -40 °C are achievable. Vortex tube has broad applications as spot cooling and spot heating in the industry such as cool plastic injection moulds, dehumidify gas operations, cool heat seal operations, cooling of control cabinet electrical enclosures, cooling of camera lenses, setting solders and adhesives, and dry ink on labels and bottles. Although many experimental studies have been done on the performance of vortex tube, the physics of the flow and mechanism of temperature separation phenomenon of gas or vapor passing through the vortex tube are not well understood because of complexity of the flow and incompatibility of experimental results. The first goal of this thesis is to record cold and hot temperatures, triggered by temperature separation phenomenon, versus cold fraction experimental investigation of one type of vortex tube-experimental equipment R433 made by P.A.Hilton company in England. Experimental results include cold and hot exit static temperatures diagrams based on cold fraction and cold exit pressure diagram versus cold fraction using cold and hot exit static temperatures. Heat pump and cooler coefficient of performance diagrams of vortex tube, and also isentropic efficiency are presented according to available equations. Uncertainty of experimental results is calculated using experimental Holman relation and is illustrated as error bars in the former diagrams Then using computational fluid dynamics approaches available in ANSYS CFX 14.5 software, numerical simulation of steady, compressible, and three dimensional flow in the vortex tube has been done by utilizing computational, structural and hexahedral grid. Appropriate boundary conditions are applied in the numerical simulation corresponding to the experimental conditions, with the exception of hot exit which has been set such that the operation of flow-control valve could be assimilated. Several turbulence models such as the standard model,, and have been used. Finally hot and cold exit static temperatures, heat pump and cooler coefficient of performance, and isentropic efficiency diagrams derived from numerical simulation have been compared to the ones based on experimental results. In addition, results of numerical simulation are presented as contours of static temperature, stagnation temperature, density, mach number, velocity distributions and stream lines focused on position of stagnation point and the zone which secondary flow forms. Key words : Vortex Tube, Experimental Investigation, Computational Fluid Dynamics, Temperature Separation, Cold Fraction, Standard
لوله ورتکس یک وسیله ساده مکانیکی است که فاقد قسمت‌های متحرک بوده و یکی از تجهیزات مورد استفاده در سیستم تبرید می‌باشد، که در آن یک سیال پرفشار از طریق نازل‌های ورودی وارد لوله ورتکس شده و به دو جریان با دمای کمتر، و بیشتر از دمای ورودی منشعب می‌شود بدین صورت می‌توان دماهای تا 40- درجه سانتی‌گراد را ایجاد کرد. لوله ورتکس به عنوان خنک ساز موضعی و گرماساز موضعی، دارای کاربرد وسیعی در صنعت می باشد که از آن جمله می توان به مواردی چون: خنک کردن قالب‌های تزریق پلاستیک، عملیات رطوبت زدایی گاز، عملیات آب بندی حرارتی، خنک کردن کابین کنترل محفظه های الکتریکی خنک سازی لنزهای دوربین عکاسی، تنظیمات چسب ها و لحیم ها و خشک کردن جوهر روی برچسب ها و بطری ها اشاره کرد. اگرچه با وجود اینکه تاکنون مطالعات تجربی زیادی بر روی عملکرد لوله ورتکس صورت گرفته است اما همچنان فهم فیزیکی جریان و مکانیزم پدیده جدایش دمای گاز یا بخار عبوری از آن به دلیل پیچیدگی جریان و ناسازگاری نتایج تجربی به طور کامل استنباط نشده است. در این پایان نامه با هدف ثبت دماهای سرد و گرم ناشی از پدیده جدایش دما بر حسب کسر سرد ابتدا به بررسی تجربی عملکرد یک نمونه از تجهیزات آزمایشگاهی لوله ورتکس با مدل 433R ساخت شرکت P.A.Hilton واقع در بریتانیا پرداخته شده است. نتایج بررسی تجربی شامل نمودارهای دمای استاتیک خروجی سرد و گرم برحسب کسر سرد و همچنین نمودار فشار خروجی سرد برحسب کسر سرد می باشد. با استفاده از دمای استاتیک خروجی سرد و گرم نمودارهای ضرسب عملکرد گرماساز و سرماساز لوله ورتکس و همچنین راندمان آیزنتروپیک نیز با توجه به روابط موجود ارائه شده است. عدم قطعیت نتایج بررسی تجربی نیز با استفاده از رابطه تجربی هولمن محاسبه شده و به صورت میله خطا بر روی نمودارها رسم شده است. در ادامه با استفاده از روش های دینامیک سیالات محاسباتی موجود در نرم افزار ANSYS CFX14.5، شبیه سازی عددی جریان حالت دائم،تراکم پذیر و سه بعدی با ایجاد شبکه محاسباتی دارای ساختار منظم و شش وجهی، برروی هندسه لوله ورتکس فوق الذکر و با استفاده از مدل های مغشوشی چون استاندارد و انجام شده است. ضمن اینکه شرط مرزی ورودی و خروجی سرد اعمال شده، منطبق بر شرایط آزمایشگاهی می باشد در حالی که در خروجی گرم از شرط مرزی مصنوعی استفاده شده است. مطالعه استقلال از شبکه نیز با تمرکز بر روی اختلاف دمای استاتیک خروجی گرم و سرد لوله ورتکس به انجام رسیده است. شرح و چگونگی انجام پدیده جدایش دما و الگوی جریان به عنوان هدف شبیه سازی انجام شده در این پایان نامه مطرح نمی باشد. در پایان نمودارهای دمای استاتیک خروجی سرد و گرم، ضریب عملکرد و راندمان آیزنتروپیک ناشی از نتایج شبیه سازی عددی با نتایج بررسی تجربی مقایسه شده است. ضمن اینکه نتایج شبیه سازی عددی به صورت کانتورهای دمای استاتیک، دمای سکون، چگالی عدد ماخ توزیع های سرعت و همچنین نمایش خطوط جریان با تمرکز بر روی موقعیت نقطه سکون و ناحیه شکل گیری جریان ثانویه نیز ارائه شده است. کلمات کلیدی : لوله ورتکس، بررسی تجربی، دینامیک سیالات محاسباتی، جدایش دما، کسر سرد،

ارتقاء امنیت وب با وف بومی