Skip to main content
SUPERVISOR
Ebrahim Shirani,Mohamadreza Salimpour
ابراهیم شیرانی چهارسوقی (استاد راهنما) محمدرضا سلیم پور (استاد مشاور)
 
STUDENT
Mohammadreza Hajmohammadi
محمدرضا حاج محمدی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1387

TITLE

Control of Boundary Layer Based on Constructal Theory
The present study deals with the generation of the heat flow configuration in order to control the thermal boundary layer development and enhance the convective heat transfer along a plate consequently. Constructal theory is systematically applied to optimize the configuration and geometry of the flow system. The working temperature of the plate may exceed the desired temperature level. Since the performance of equipment has a direct relationship with its temperature, it is important to keep it at an acceptable temperature level. Consequently, here, the objective is either to minimize the ‘hot spot’ temperature of the plate or to maximize the rate of heat transfer. Two thermal boundary conditions for the heat sources are employed: constant heat flux condition or constant temperature. Analytical solutions are determined without imposing the common simplifying assumptions that were considered in similar studies. In this work, the optimization was first carried out for the problem of discrete heating, which means how to distribute a finite number of heated/insulated segments. In this case, the optimization was first carried out for a problem with no attached constraint on how to distribute the heat sources and second for a fixed plate length. It was shown that in the first case, the maximum temperature, the “hot spot’ temperature, was reduced by 11% for two optimized-size heat sources with uniform heat flux articulated with optimum adiabatic spacing. Additionally, for two heat sources with uniform temperature, a level of maximum heat transfer enhancement of 7.7% was achieved. This issue is also implemented for distribution of adiabatic sections on a pipe wall in order to minimize the temperature of the hot spot. A fluid is heated at the remaining sections of the pipe with uniform heat flux. Analytical results for optimization are obtained for several values of Graetz number for the following two cases; 1) large number of small adiabatic sections and 2) finite number of adiabatic sections. The results show that the optimal locations of the adiabatic sections depend on the Graetz number and the portion of the pipe wall which is dedicated to an adiabatic section. It is shown that for flows with intermediate values of Graetz number, the reduction of the maximum temperature of the wall is remarkably affected by the configuration of the adiabatic sections. Optimization was then carried out for the problem of non-uniform heating, which means how to optimize a stepwise heat flux distribution. In this case it was shown that the hot spot temperature cab be reduced 21% if the wall is heated with two unequal steps heat flux distribution along the wall instead of uniform heat flux distribution. Keywords: Control, Boundary Layer, Forced Convection, Constructal Theory, Optimization
در تحقیق حاضر با تعیین آرایش بهینه هندسه جریان برای مجموعه ای که در آن جریان اجباری و آرام یک سیال، منابعی با تولید گرمای داخل را خنک می کند، رفتار لایه مرزی گرمایی جریان به گونه ای کنترل می شود که عملکرد گرمایی مجموعه به حداکثر مقدار ممکن برسد، یعنی برای حالتی که شارگرمایی از منابع و کل سطح انتقال گرما معلوم و مشخص است، دمای بیشینه مجموعه و یا به عبارتی دمای نقطه داغ به حداقل مقدار ممکن برسد و برای حالتی که دمای منابع گرمایی معلوم و مشخص است، نرخ انتقال گرمای کلی از منابع به بیش ترین مقدار ممکن برسد. تعیین آرایش هندسه جریان در این تحقیق از طریق سه روش صورت می پذیرد. در روش اول که گرمایش مجزا نام دارد، تاثیر قرار دادن نواحی عایق شده در بین نواحی تحت گرمایش که در تماس با لایه مرزی جریان اجباری یک سیال سرد خنک می شود، بر رشد لایه مرزی گرمایی و عملکرد گرمایی مجموعه مورد بررسی قرار می گیرد. نشان داده می شود که این نواحی عایق شده به طور همزمان بر روی عملکرد گرمایی مجموعه، آثار مثبت و منفی داشته و لذا تئوری ساختاریافته [1] بکار گرفته می شود تا آرایش بهینه ای برای این هندسه این نواحی (مکان و طول هر ناحیه) برای جریان خارجی روی یک صفحه تخت و جریان داخل یک لوله تعیین شود. در روش دوم که گرمایش غیریکنواخت نام دارد، توزیع بهینه شارگرمایی پله ای برای مساله ای که در آن سیال به صورت پله ای تحت گرمایش قرار دارد، موردبررسی قرار می گیرد و در روش سوم اثر ضخامت دیواره بر دمای نقطه داغ در حالتی که دیواره از سطح پایینی تحت شارگرمایی مشخصی بوده و از سطح بالایی توسط جریان اجباری خنک می شود، موردبررسی قرار می گیرد. در تمامی این حالات جریان آرام و دو بعدی فرض می شود و نتایج برای منابع گرمایی با نسبت های مختلف به صورت تحلیلی و بدون انجام فرض های ساده کننده ای که در مقالات مشابه انجام شده است، به دست می آیند. با کنارگذاشتن چنین فرض هایی بر پیچیدگی ریاضی مساله افزوده شده و به علاوه نشان داده می شود که دو فرآیند بهینه سازی متفاوت از هم یکی تلاقی دماهای بیشینه و دیگری اکسترمم یابی دمای حداکثری بر مساله حاکم می شود. معادلات استخراج شده برای بهینه سازی ضمنی بوده و توسط روش عددی تکرار ساده حل می شود. کلمات کلیدی: کنترل لایه مرزی، نظریه ساختاریافته، بهینه سازی، نقطه داغ، جریان اجبار [1] Constructal Theory [2] Graetz

ارتقاء امنیت وب با وف بومی