بررسی عددی جریان و انتقال حرارت سیال عبوری از دو استوانه¬ی چرخان با آرایش پشت سر هم

STUDENT

DEGREE

YEAR

Forced convection heat transfer around circular cylinders has numerous applications in engineering practice such as heat exchangers, space heating, flow around arrays of nuclear fuel rods, heat losses from high-rise buildings, chimneys, power generators, and other thermal applications. In this study, unsteady laminar flow and convective heat transfer from two rotational isothermal cylinders of tandem arrangement is numerically investigated. The numerical simulations were carried out by the commercial CFD software — FLUENT_. The working fluid is air. This study has three sections. First, for a single cylinder, effects of various rotational speed and Renolds number has been studied as a validation for the main part. In section 2, the effects of various rotational speed and gap spacing are studied with the Reynolds number of 100 and the Prandtl number of 0.71. The analysis is carried out for the non-dimensional C.C.W rotational velocity (?) of 0 to 5 and for center-to-center distance ratio, T* = S / D, of 2.5, 4 and 6. It is found that based on T* and ?, we can divide unsteady solutions on two regions V.S.I and V.S.II which cases in same region have a same vortex shedding pattern. Also it is obtained that increase in distance has more effect on drag coefficient (specially in high rotational speed) than lift coefficient. For example, with increasing dimensionless distance from 2.5 to 6, in constant dimensionless rotational speed 5, for upstream cylinder, drag coefficient reduces by 43% but lift coefficient changes only 3%. In section 3, for constant center-to-center distance ratio, S/D, of 4, the effects of changing the rotational direction (C.W and C.C.W) of downstream cylinder for Reynolds numbers of 100, 150 and 200 has been investigated. The flow parameters such as the lift and drag coefficients and Strouhal number are also obtained and compared with those of available in literatures. Streamlines and isotherms were generated to interpret the flow and heat traort visualization. The mean and local Nusselt numbers for the upstream and downstream cylinders were obtained. In this section, we can divide unsteady solutions in three regions V.S.I, V.S.II and V.S.II’. Although unsteady solutions could be fitted in the same category mentioned in section 2. It is found that in the range of this study, Renolds number has a few effect on fluid patterns so drag and lift coefficient are almost constant with changing Re number although heat transfer for upstream cylinder has a 40% increase with changing Re number from 100 to 200 for stationary cylinders. Also it is obtained that changing the downstream rotation direction could be a way to stop vortex shedding. Increasing Renolds number, decrease period time so Strouhal number will increase. But usually increasing rotational speed will decrease strouhal number. Keywords: rotating cylinder, tandem arrangement, numerical method, heat transfer, unsteady flow, drag and lift forces

: مطالعه جریان سیال و انتقال حرارت پیرامون استوانه ‌های ساکن وچرخان که در مسیر یک جریان قرار گرفته باشد دارای کاربردهای زیادی است که می توان به جریان اطراف دودکش ها، اجزا یک برد الکتریکی، محور های چرخان تجهیزات صنعتی اشاره کرد. همچنین چرخش بعنوان یک روش کنترل فعال برای جلوگیری از ریزش گردابه و افزایش نیروی لیفت نیز استفاده می شود. در تحقیق پیشرو جریان و انتقال حرارت از تک استوانه چرخان و همچنین دو استوانه چرخان با مقطع دایره ای که با آرایش پشت سر هم قرار گرفته‌ به روش عددی و با استفاده از نرم‌افزار فلوئنت در محدود اعداد رینولدز 20 الی 200 و سرعت چرخشی (بدون بعد شده با سرعت ورودی) مابین صفر تا 5 بررسی شده است. شبیه سازی ها در این پژوهش بصورت دو بعدی و غیر دائم انجام شده است اگرچه حل نهایی در بعضی سرعت های چرخشی و یا اعداد رینولدز از نوع دائم می باشند.در ابتدا به بررسی جریان حول یک استوانه‌ی چرخان در معرض جریان یکنواخت در اعداد رینولدز 20، 40 و100 و محدوده‌ی سرعت چرخشی (بدون بعد شده با سرعت ورودی) 5,4,3,0 پرداخته شده و نتایج بدست آمده با تحقیق‌های پیشین مقایسه و تطبیق خوبی مشاهده شد. در واقع این نتایج بنوعی معرف اعتبار سنجی این پژوهش است چون نتایج مناسبی برای جریان حول دو استوانه چرخان پشت سر هم برای مقایسه با این تحقیق تاکنون گزارش نشده است. از نتایج مهم این فصل می توان به مشاهده ریزش گردابه در عدد رینولدز 100 در حالت های 5,0 و همچنین افزایش اندازه‌ ضریب لیفت با افزایش سرعت چرخشی اشاره کرد. در بخش اصلی جریان و انتقال حرارت از دو استوانه‌ی چرخان با آرایش پشت‌سرهم در معرض جریان یکنواخت بررسی شده است. در ابتدای این فصل، مطالعه تاثیر فاصله بین دو استوانه در محدوده 6 5/2 در عدد رینولدز 100 انجام و نواحی پایا و ناپایا برحسب سرعت چرخشی و فاصله‌ی دو استوانه تعیین شده است. نتایج این بخش نشان داد که ضریب لیفت همواره با افزایش سرعت چرخشی ، افزایش یافته در حالی که تغییر فاصله تاثیر چندانی بر این ضریب ندارد. همچنین ضریب درگ، تغییرات بیشتری نسبت به تغییر فاصله بین استوانه‌ی داشته بطوری با افزایش فاصله بدون بعد از 5/2 به 6 در سرعت چرخشی بدون بعد 5، برای استوانه بالادست، ضریب دراگ 43 درصد کاهش می یابد. در ادامه این فصل، تاثیر افزایش عدد رینولدر مابین 100 تا 200 بر جریان و انتقال حرارت از دو استوانه‌ی چرخان با فاصله بدون بعد 4 بررسی شده است. یکی از پارامترهای مهم در بررسی دو استوانه چرخان، نحوه چرخش انها نسبت به هم می باشد که تا این مرحله چرخش هر دو استوانه پاد ساعتگرد در نظر گرفته شده است. در بخش انتهایی این فصل جهت چرخش دو استوانه متفاوت در نظر گرفته شده بصورتی که استوانه اول (بالادست ) پادساعتگرد و استوانه دوم (پایین دست) بصورت ساعتگرد چرخانده می شود و تاثیر این تغییر جهت چرخش برنتایج مطالعه شد. نتایج این بخش نشان داد که در محدوده تحت بررسی، افزایش عدد رینولدز تاثیر چندانی بر الگوهای جریان ندارد و در نتیجه ضرایب لیفت و دراگ با تغییر عدد رینولدز تقریبا ثابت می‌مانند در حالی که با افزایش عدد رینولدز از 100 به 200، باعث افزایش 40% انتقال حرارت از استوانه بالادست در حالت بدون چرخش می‌شود. همچنین وقوع حالت دائمدر اینحالتنسبت بهحالتی که هردو استوانه پادساعتگرد چرخش کنند بیشتر است. همچنین تغییر جهت چرخش استوانه پایین‌دست باعث افزایش انتقال حرارت از این استوانه می‌شود در حالی که ضرایب لیفت و دراگ تقریبا ثابت می‌ماند. کلمات کلیدی : استوانه چرخان، آرایش پشت‌سرهم، روش عددی، انتقال حرارت، جریان غیر دائم، نیروی لیفت/دراگ