Skip to main content
SUPERVISOR
Mohamadreza Salimpour,Ebrahim Shirani
محمدرضا سلیم پور (استاد راهنما) ابراهیم شیرانی چهارسوقی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Zahra Habibi
زهرا حبیبی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391

TITLE

Analysis of chaotic flow and heat transfer in a duct with successive bends for steady and unsteady states
Mixing, heat transfer and the related issues are of important and basic topics. One of the new methods of achieving favorable mixing and heat transfer enhancemanet in the laminar flow regime is generating chaotic advection flow, which is creating chaotic particle trajectories in the laminar flow regime. In the present study, numerical simulation of chaotic heat transfer in laminar flow in a twisted duct is considered in FLUENT software. Two velocities in the steady and pulsating states, in tow thermal boundary conditions of constant wall temperature and constant heat flux are applied in the square cross section duct with three successive bends in macro dimensions. Each bend is 90° degrees curved duct. The angle between the curvature planes of two successive bends is also 90° degrees. Simulations are performed for the Reynolds numbers range 200?Re?800 , velocity amplitude ratios (the ratio of the peak oscillatory velocity component to the mean flow velocity) 1???3 , Womersley numbers 6???17 , and wall temperatures 310?T w (K)?360 . The appearance of homoclinic and heteroclinic connections in the secondary flow structures are the signs of chaos. The more chaos in the flow represents mixing enhancement, and since investigation of secondary flow structures is a qualitative criterion of chaos, vorticity vector method which describes stretching and engulfment of flow, is used to give a quantitative criterion of chaos. Also secondary flow structures are compared in the absence and presence of heat. Heat transfer quantity is discussed by analysis of secondary flow structures, temperature profiles and contours qualitatively, and by calculation of Nusselt and Richardson numbers, quantitative value of heat transfer and buoyancy forces effects respectively, quantitatively in two thermal boundary condition. Results confirm each other. When the Reynolds number and wall temperature increases in the steady flow homoclinic and heteroclinic connections develop and it improves mixing and heat transfer enhancement. In the pulsating flow, in small and moderate values of Womersly numbers 6???10 , increasing Reynolds number, wall temperature and velocity component ratio ? , create a more favorable condition for mixing and heat transfer enhancement. It is observed that increment of Reynolds number in the steady flow and increment of Reynolds and Womersly numbers in the pulsating flow, decrease heating homogeneity and system efficiency from the energy consumption viewpoint. In both steady and pulsating flow, heating homogeneity improves by increscent wall temperature. Heat transfer and heating homogeneity improves for ??2 , compared to steady state flow. It is also observed that, buoyancy forces have an important role in heating homogeneity occurrence. It is concluded from comparing results of two thermal boundary conditions that, in constant wall temperature condition, more chaos, mixing and consequently heat transfer enhancement and heating homogeneity is achieved compared to constant heat flux condition, with almost the same energy consumption quantity. Pulsation energy consumption is higher than the energy needed for increasing Reynolds number of the steady flow to match the same heat transfer enhancement. However, a better heating homogenization is obtained in the pulsating flow which is not the case in the steady flow Keywords: Mixing, Heat transfer enhancement, Chaotic advection, Secondary flow structure, Vorticity vector, Twisted duct, Homogeneous heat transfer
اختلاط و انتقال حرارت و مسائل مربوط به آن از موضوعات مهم و پایه ای هستند. یکی از روش های نو برای ایجاد اختلاط مطلوب و افزایش انتقال حرارت در رژیم جریان آرام ایجاد جریان همرفت آشوبناک است، که در واقع تولید مسیرهای آشوبناک ذرات در رژیم جریان آرام می باشد. در پایان نامه ی حاضر به بررسی عددی رفتار جریان آشوبناک و انتقال حرارت در جریان آرام در مجرای پیچدار به کمک نرم افزار فلوئنت پرداخته شده است. دو سرعت ورودی در حالت پایا و پالسی تحت شرایط مرزی حرارتی دمای دیواره ثابت و شار حرارتی ثابت در مجرای با سه خم متوالی با سطح مقطع مربع در ابعاد ماکرو، اعمال گردیده است. هر خم، یک مجرای خمیده ی °90 است و زاویه ی بین صفحات انحنای دو خم متوالی نیز °90 می باشد. شبیه سازی برای اعداد رینولدز در بازه ی 830?Re?200، نسبت مولفه ی سرعت (نسبت بیشینه ی مولفه ی سرعت نوسانی به سرعت متوسط در جریان پایا) 3???1، اعداد ومرسلی 17???6 و دماهای دیواره 360?T w (K)?310 صورت گرفته است. پدیدار شدن ساختارهای هموکلینیک و هتروکلینیک در الگوهای جریان ثانویه نشانه ی وجود آشوب در جریان هستند. آشوب بیشتر نشان دهنده ی بهبود اختلاط است و از آنجا که مطالعه ی ساختارهای جریان ثانویه به صورت کیفی آشوب را ارزیابی می کنند از روش بردار گردابه که مشخص کننده ی میزان بلعیدگی و کشیدگی در جریان می باشد، برای ارزیابی کمی اختلاط استفاده شده است. همچنین ساختارها در حضور و غیاب حرارت و در شرایط مرزی حرارتی مختلف مقایسه شده اند. میزان انتقال حرارت در دو شرایط مرزی حرارتی دمای دیواره ثابت و شار حرارتی ثابت، به کمک تحلیل ساختارهای جریان ثانویه، کانتورها و پروفیل های دما به صورت کیفی و با محاسبه ی اعداد ناسلت و ریچاردسن به ترتیب، مقدار کمی انتقال حرارت و اثر نیروهای شناوری بر انتقال حرارت، مطالعه شده است. از آنجا که انتقال حرارت همگن و یکنواخت حائز اهمیت است مقدار انحراف استاندارد دمای بی بعد سیال نیز محاسبه شده همچنین برای ارزیابی بازدهی سیستم از نظر مصرف انرژی، مقدار افت فشار اندازه گیری و در حالت های مختلف مورد مقایسه قرار گرفته است. نتایج بدست آمده مؤید یکدیگر هستند. در جریان ورودی پایا، با افزایش عدد رینولدز و دمای دیواره ساختارهای هموکلینیک و هتروکلینیک رشد و توسعه می یابند و باعث بهبود اختلاط و انتقال حرارت می شوند. در جریان ورودی پالسی، با افزایش عدد رینولدز، دمای دیواره و نسبت مولفه سرعت ? و در اعداد ومرسلی پایین و متوسط 10???6 ساختارهای جریان ثانویه برای رشد و توسعه شرایط مساعدتری می یابند و نتیجتاً اختلاط و انتقال حرارت بهتری حاصل می شود. مشاهده شد که افزایش عدد رینولدز در جریان پایا، و افزایش عدد ومرسلی و رینولدز در جریان پالسی، باعث کاهش همگنی انتقال حرارت و بازدهی سیستم از نظر انرژی می شود. در هر دو جریان پایا و پالسی، همگنی انتقال حرارت با افزایش دمای دیواره بهبود می یابد. برای مقادیر 2??، انتقال حرارت و گرمایش یکنواخت بیشتر و بهتری نسبت به جریان پایا حاصل می شود. همچنین ملاحظه شد که نیروهای شناوری به وقوع انتقال حرارت همگن و یکنواخت کمک شایانی می کنند. از مقایسه ی دو شرایط مرزی حرارتی نتیجه گرفته شد که با صرف مقدار تقریباً مساوی انرژی، در شرایط مرزی حرارتی دمای دیواره ثابت نسبت به شرایط شار حرارتی ثابت، آشوب و اختلاط و در نتیجه میزان انتقال حرارت بیشتر و همچنین همگن تری حاصل می شود. در آخر می توان گفت انرژی مورد نیاز برای تولید جریان پالسی نسبت به افزایش رینولدز در جریان پایا، برای رسیدن به مقدار مساوی انتقال حرارت، بیشتر است اما جریان پالسی باعث افزایش همگنی انتقال حرارت می شود که این اتفاق با افزایش عدد رینولدز در جریان پایا محقق نمی گردد. کلمات کلیدی: اختلاط، افزایش انتقال حرارت، همرفت آشوبناک، ساختار جریان ثانویه، بردار گردابه، مجرای پیچدار، انتقال حرارت همگن

ارتقاء امنیت وب با وف بومی