SUPERVISOR
ابراهیم شیرانی چهارسوقی (استاد راهنما) احمد سوهان کا راصفهانی (استاد مشاور)
STUDENT
Milad Rousta
میلاد روستا
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393
TITLE
Analysis of Chaotic Flow and Heat Transfer in a Twisted Pipe with Different Cross Sections for Steady and Unsteady States and Obtaining the Optimum Cross Section for Mixing
Nowadays, chaotic advection flow is one of the most useful methods to enhance mixing and heat transfer simultaneously in laminar flow that generated by spatially chaotic trajectories of the fluid particles. In the present study, numerical simulation of chaotic advection flow and heat transfer in laminar flow in a twisted pipe are performed by Ansys Fluent software. The geometry consists of three successive bends of elliptical cross-section in macro dimension which a uniform and pulsatile velocity field imposed as the inlet condition and the walls are subjected to a constant temperature and constant heat flux. The variation of secondary flow structures is investigated for demonstrating the behavior of chaotic flow in a twisted pipe. The appearance of homoclinic and heteroclinic connections and stretching and extending of elliptical orbits in the secondary flow structures and increasing the variation of secondary flow patterns in one cycle of pulsating flow are the signs of chaos in the fluid flow. The more chaos in the flow represents mixing enhancement, but since analysis 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. For the quantitative evaluation of heat transfer, Nusselt number and standard deviation of temperature are measured and for the qualitative evaluation of heat transfer, the temperature profiles and contours at the exit of the bends are analyzed. In addition, for investigating the efficiency of system, pressure drop is calculated for different cases. In both steady and unsteady states flow, according to secondary flow patterns, when the Reynolds number and wall temperature increase, the elliptical orbits and homoclinic connection develop and finally improve mixing and heat transfer enhancement. Moreover, in pulsating flow the higher values of velocity amplitude ratios (?) and lower and medium values of Womersley numbers (2.1118???3.9509), promote the chaos in fluid flow and provide the best condition for mixing and heat transfer. In both steady and pulsating flow, increment of Reynolds number, decreases heating homogeneity and increment of wall temperature, promotes heating homogeneity. It is also observed that increment of Womersley number in pulsating flow, decreases heating homogeneity. The results of quantitative and qualitative assessment for determining the optimum cross section between four shapes (elliptical, circular, rectangular, square) for mixing show that if the problem of pressure and energy loss are not significant and mixing enhancement is the main purpose, the elliptical cross section create the best condition for mixing. On the other hand the circular cross section has minimum pressure loss between the other cross sections and has more mixing enhancement than the square and rectangular cross sections. Therefore from the economical viewpoint, circular cross section is more favorable than the others. Keywords: Chaotic advection, Mixing, Heat transfer enhancement, Secondary flow patterns, Vorticity vector, Homogeneous heat transfer, Twisted pipe
امروزه یکی از روشهای کاربردی برای ایجاد اختلاط مطلوب و افزایش انتقال حرارت در رژیم جریان آرام، ایجاد جریان همرفت آشوبناک است که در واقع تولید مسیرهای آشوبناک برای ذرات سیال در رژیم جریان آرام میباشد. در پایاننامه حاضر به بررسی عددی رفتار جریان آشوبناک و انتقال حرارت در جریان آرام(450?Re?200) درون مجرای پیچدار به کمک نرمافزار فلوئنت پرداخته شده است. برای انجام این کار، دو سرعت ورودی در حالتهای پایا و پالسی تحت شرایط مرزی حرارتی دمای دیواره ثابت و شار حرارتی ثابت در مجرای پیچدار با سه خم متوالی و سطح مقطع بیضوی در ابعاد ماکرو اعمال گردیده است. برای نشان دادن رفتار جریان آشوبناک در مجرای پیچدار، تغییرات ساختارهای جریان ثانویه در جریان مورد بررسی قرار گرفته است. بر همین اساس، پدیدار شدن ساختارهای هموکلینیک، کشیدگی یا بزرگتر شدن سیکلهای بیضوی و تغییرات بیشتر الگوهای جریان در یک سیکل از نشانههای وجود آشوب در جریان میباشند. آشوب بیشتر نشاندهندهی بهبود اختلاط در جریان است اما از آنجایی که با بررسی ساختارهای جریان ثانویه مقدار عددی اختلاط فراهم نمیگردد از روش بردار گردابه که مشخص کنندهی میزان بلعیدگی و کشیدگی در جریان میباشد، برای ارزیابی کمی اختلاط استفاده شده است. به منظور بررسی کمی و کیفی انتقال حرارت نیز از روشهایی مانند محاسبهی عدد ناسلت، تعیین انحراف معیار استاندارد دما، تحلیل کانتورهای دما و بررسی پروفیلهای دما در نقاط مختلف مجرا بهره گرفته شده است. همچنین به منظور ارزیابی بازدهی سیستم، میزان افت فشار در حالات مختلف محاسبه شده و مورد مقایسه قرار گرفته است. در جریان ورودی پایا، طبق الگوهای جریان ثانویه، با افزایش عدد رینولدز و دمای دیواره شاهد کشیدهتر شدن سیکلهای بیضوی، تشکیل و توسعه ساختارهای هموکلینیک در جریان میباشیم که در نهایت باعث بهبود اختلاط و انتقال حرارت در جریان میشوند. در جریان ورودی پالسی، با افزایش عدد رینولدز، دمای دیواره و نسبت مؤلفهی سرعت ?، شاهد کشیدگی سیکلهای بیضوی، گسترش ساختارهای هموکلینیک و تشدید عدم تقارن در ساختارهای جریان میباشیم که همگی در بهبود اختلاط و انتقال حرارت در جریان مؤثر میباشند. همچنین در مقادیر پایین و متوسط عدد ومرسلی 9509/3???1118/2، شاهد آشفتگی بیشتر در ساختارهای جریان میباشیم و این بازه از عدد ومرسلی، شرایط بهتری را برای اختلاط و انتقال حرارت در جریان فراهم مینماید. در هر دو جریان پایا و پالسی، همگنی انتقال حرارت با افزایش دمای دیواره بهبود مییابد اما با افزایش عدد رینولدز در جریان پایا و همچنین افزایش عدد ومرسلی و رینولدز در جریان پالسی، همگنی انتقال حرارت کاهش مییابد. بررسیهای کمی و کیفی به منظور یافتن سطح مقطع بهینه برای اختلاط نشان داد که از بین سطح مقطعهای بیضوی، دایرهای، مستطیلی و مربعی، چنانچه مسئله افت فشار و تلفات انرژی از اهمیت خاصی برخوردار نباشد و صرفاً مسئله افزایش اختلاط مد نظر قرار بگیرد، سطح مقطع بیضوی بهترین شرایط را برای اختلاط نسبت به سایر سطح مقطعها فراهم مینماید. اما با توجه به این که میزان اختلاط در مجرای پیچدار با سطح مقطع دایرهای نسبت به سطح مقطعهای مربعی و مستطیلی بیشتر بوده و همچنین دارای حداقل افت فشار نسبت به سایر سطح مقطعها میباشد، میتوان از دیدگاه اقتصادی، سطح مقطع دایرهای را به عنوان سطح مقطع بهینه برای اختلاط معرفی نمود. کلمات کلیدی: همرفت آشوبناک، اختلاط، افزایش انتقال حرارت، ساختارهای جریان ثانویه، بردار گردابه، انتقال حرارت همگن، مجرای پیچدار