………………………………………………………………………………………… 33
3-2- تاریخچه دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)…………………………………………………………. 34
3-2-1- انواع شبكه‌ها و روش های حل CFD……………………………………………………………….. 34
3-2-2- مراحل حل مسئله دینامیک سیالات محاسباتی……………………………………………… 36
3-3- معرفی نرم‌افزار Gambit…………………………………………………………………………………………….. 37
3-4- معرفی نرم‌افزار Fluent ……………………………………………………………………………………………… 37
3-5- توانایی‌های نرم‌افزار Fluent………………………………………………………………………………………… 37
3-6- تعریف مسئله……………………………………………………………………………………………………………….. 38
3-6-1- معادلات حاكمه در جریان موازی روی شیار…………………………………………………… 38
3-6-2- بی بعدکردن معادلات حاكمه در جریان موازی روی شیار…………………………….. 40
3-6-3- شرایط مرزی در جریان موازی روی صفحه شیاردار……………………………………… 42
3-6-4-معادلات حاكمه در جریان عمود و مایل روی یک ردیف از شیارها……………….. 44
3-6-5- معادلات مربوط به مدلسازی جریان متلاطم در جریان عمود ومایل روی
یک ردیف از شیارها………………………………………………………………………………………… 45
3-6-6- لایه مرزی Asymptotic …………………………………………………………………………………. 46
3-6-7- پارامترهای مربوط به کارایی UTC در جریان موازی………………………………………. 46
3-6-8- دامنه تغییرات متغیرها ……………………………………………………………………………………. 48
3-6-9- تئوری حل و شبکه انتخاب شده در جریان موازی روی شیار……………………….. 48
3-6-10-تئوری حل، شبکه انتخاب شده و شرایط مرزی در جریان عمود و مایل
روی یک ردیف از شیارها…………………………………………………………………………… 50
3-6-10-1- شرایط مرزی برای مسئله در حالت كلی ………………………………………….. 51
3-6-10-2 تولید هندسه…………………………………………………………………………………………. 53
3-6-10-3- تولید شبکه…………………………………………………………………………………………… 57
عنوان صفحه
فصل چهارم: نتایج
4-1- نتایج مربوط به جریان موازی روی یک شیار……………………………………………….. 65
4-1-1- تاثیر عدد رینولدز …………………………………………………………………………………. 66
4-1-2- اثر (سرعت باد/ سرعت مکش) ……………………………………………………………….. 68
4-1-3- تاثیر ضریب تخلخل صفحه ……………………………………………………………………….. 70
4-1-4- تاثیر هدایت حرارتی بی بعد (Admittance ) ………………………………………………. 70
4-1-5- اثرضخامت بدون بعد………………………………………………………………………………. 72
4-1-6- تاثیر زاویه باد ………………………………………………………………………………………. 73
4-1-7 -تاثیر جابجایی آزاد …………………………………………………………………………………… 74
4-2-نتایج جریان عمود روی یک ردیف از شیارها…………………………………………………………….. 75
4-2-1- تاثیر عدد رینولدز ……………………………………………………………………………………………. 75
4-2-2- تاثیر ضریب تخلخل صفحه………………………………………………………………………………… 76
4-2-3- تاثیر هدایت حرارتی بی بعد ……………………………………………………………………………. 77
4-2-4- اثرضخامت بدون بعد………………………………………………………………………………………….. 78
4-2-5- اثر تشعشع…………………………………………………………………………………………………………… 79
4-2-6-تاثیر عرض plenum…………………………………………………………………………………………….. 80
4-2-7- اثر تغییر زاویه باد روی صفحات مشبک با ابعاد محدود …………………………………. 81
فصل پنجم: نتایج و پیشنهادات
5-1- نتایج………………………………………………………………………………………………………………. 84
5-2-پیشنهاد ات………………………………………………………………………………………………85
فهرست مراجع……………………………………………………………………………………………….. 86
جریان سیال روی صفحات مشبک
نیاز مبرم انسان امروزی به استفاده از سوخت‌های مختلف و مشکل آلودگی محیط زیست که ناشی از استفاده نادرست و بی رویه از این منابع سوختی است نسل امروز را به چاره‌اندیشی برای حل این مشکل قبل از پایان یافتن ذخایر انرژی وا‌داشته است. در این راستا انرژی خورشیدی در جهت تـامین قسمتی از انرژی مورد نیاز آینده جوامع بشری در اولویت قرار دارد. یكی از جدید ترین كاربردهای این انرژی استفاده از آن در تهویه مطبوع ساختمان های بزرگ از طریق پیش گرم كردن هوا به وسیله كلكتورهای مشبک بدون شیشه است. انتقال حرارت از صفحات مشبک به وسیله ی مکش سیال اخیراً در صنعت کاربردی نو یافته است. عملکرد کلکتورهای خورشیدی بدون شیشه که از صفحات جاذب مشبک بهره می برند، بر این اساس استوار است: مکش هوا باعث می شود تا لایه ی مرزی تشکیل شده در اثر وزش باد بر روی صفحه در حالت آرام باقی بماند و انتقال حرارت از صفحه به هوا به صورت تنگاتنگ انجام شود و بدین سبب بازده ی این کلکتورها بیش تر از کلکتورهای معمولی می باشد.
تكنولوژی كلكتورهای خورشیدی مشبک بسیار ساده میباشد. یک دیواره فلزی مشبك در سمت جنوبی و به فاصله 15سانتی متر از دیواره ساختمان قرار میگیرد (شكل 1-1). این دیواره، انرژی حاصل از تابش را به گرما تبدیل میكند. فنها در بالای دیوار نصب میشوند و هوای بیرون را از میان سوراخها به درون میمكند.
شکل(1-1) : شکل شماتیک کلکتوربدون شیشه با صفحات مشبک
كلكتورهای بدون شیشه با صفحات مشبك (UTC)[1] تكنولوژی نسبتاً جدیدی در کاربردهای انرژی خورشیدی میباشند. از این كلكتورها در ساختمانهای بسیاری ازکشورها مثل كانادا،کشورهای اروپایی و آمریكا استفاده می شود. علاوه بر بحث تهویه مطبوع از آنها میتوان برای خشك كردن سبزیجات و میوهجات نیز استفاده كرد. باید توجه داشت كه میزان دمای هوای گرم تولید شده وابسته به پارامتر های مختلفی است و می توان با تغییر این پارامترها میزان دمای هوای تولیدی را كنترل كرد.
نحوه جریان سیال و انتقال حرارت روی صفحات مشبك بدین صورت است كه وقتی سیال از طریق صفحه سوراخدار مكیده می شود، درجه تخلخل صفحه، هندسه شیارها وقدرت مكش همگی بروی جریان سیال اثر می گذارند. اگر یكی از این دو محیط (سیال یا دیواره) دمای بالاتری داشته باشند انتقال حرارت در جهت كاهش اختلاف دما اتفاق می افتد. به جهت اینکه در واقعیت، وزش باد در جهات مختلف اتفاق می افتد صفحات شیاردار نسبت به صفحاتی که دارای سوراخهای دایره ای هستند، بازده بیشتری دارند بنابراین در این تحقیق از صفحات با شیارهای عمود بر هم استفاده شده است.
بر تحقیقات گذشته
مطالعه انتقال حرارت وحركت سیال مربوط به لایه مرزی یک جریان موازی با صفحة متخلخل، در دهه های گذشته موضوعی مورد علاقه بوده است. در اوایل دهة 60 میلادی زمانی كه ثابت نگهداشتن دمای سطح در حدی غیر مضر و معمولی برای پره‌های توربین‌ها مسأله پرچالشی به حساب می‌آمد، بررسی لایة مرزی بر روی صفحات مشبّك اهمیت خاصی پیدا كرد و مطالعه و تحقیق در این زمینه بشدت وسعت یافت. در همان زمان استفاده از مكش بعنوان عامل موثری جهت كنترل جریان و آرام نگه داشتن آن بر روی بالهای هواپیماهای با سرعت بالا به
بررسیهای دامنه‌داری منجر گردید]1[. مكش كه برای اولین بار در اوایل قرن بیستم میلادی توسط پرانتل[2] مطرح شده بود راه حل بسیار مناسبی جهت كاهش ضخامت لایه مرزی به حساب می‌آمد كه تمایل جریان به مغشوش شدن را كمتر می‌نمود. در حقیقت این موضوع سبب می‌شد كه ضریب پسا (Drag) پایین باقی بماند، زیرا كه اساساً نیروی پسای ناشی از جریان آرام از نیروی پسای ناشی از جریان مغشوش كمتر است. این روش كنترل، جهت آرام نگهداشتن جریان، اولین بار توسط گریفیث[3] و مردیث[4] ]2 [پیشنهاد گردید که نتیجه آن در تحقیقات گل نشان نیز مشاهده می شود ]3[.
كنترل جریان سیال برای آرام نگهداشتن آن و سرمایش دو كاربرد مهندسی هستند كه مستقیماً به تحقیق حاضر مرتبط میباشند، بنابراین كارهایی كه حول این دو موضوع انجام شده است مرور خواهند شد. ابتدا كارهای انجام شده بر روی كنترل جریان آرام سیال و سپس مطالبی در مورد سرمایش بیان خواهد گردید. سپس كارهایی كه برای كلكتورهای خورشیدی مشبك بدون پوشش صورت گرفته مدنظر قرار خواهند گرفت.
2-1- كنترل جریان سیال برای آرام نگاه داشتن آن
نتایج تحقیقات انجام شده بر روی كنترل جریان آرام در طی سالهای 1960-1940 میلادی در كتاب لاچمن[5]]1[ بخوبی خلاصه شده است. علمی بودن و میزان كارا بودن كاهش نیروی پسای ناشی از لزجت در هواپیماها از طریق كنترل جریان آرام با انجام یک سری تحقیقات گسترده توسط فنینجر و همكارانش كه بیش از چهل سال بطول انجامید، مشخص شده است. این موضوع در یادداشتهای فنینجر[6] ]4[خلاصه شده است.
شكل معمول بیشتر تحقیقات در مورد كنترل جریان آرام مساله پایداری لایه مرزی آرام است]5و6[. نشان داده شده كه برای جریان بر روی یک صفحه تخت با زاویه برخورد صفر و دارای مكش یكنواخت، عدد رینولدز بحرانی تعریف شده بر اساس ضخامت لایه مرزی جابجایی بیش از 130 مرتبه از عدد رینولدز بحرانی مربوط به صفحه تخت مشابهی كه فاقد مكش است بزرگتر میباشد]2[. اما این موضوع برای صفحه‌ای بسیار صیقلی و كاملاً متخلخل كه مكش یكنواخت بر آن اعمال گردیده، صادق است. در عمل، بسیار مشكل است كه یک صفحه متخلخل با سوراخهای ریز و نزدیک به هم با استحكام كافی ساخته شود. بنابراین تمامی صفحات به نوعی دارای سوراخها و یا شیارهای مجزا هستند كه منجر به ناپیوسته شدن مكش در آنها می‌گردد. در اینجا منظور از صفحة مشبك صفحه‌ای است که دارای سوراخهای ریز و بسیار نزدیک بهم است. اگرچه استفاده از مكش برای چنین صفحه مشبكی مطالعات را به مكش پیوسته ایده آل بسیار نزدیک میكند، اما نشان داده شده است كه در بعضی شرایط مكش باعث اعمال اغتشاشهایی از نوع سه بعدی به لایه مرزی می‌شود ]7و8[.
بیشتر كارهای فنینجر و همكارانش اساساً بر روی تكمیل مكش سیال روی دیواره از طریق شیارهای باریک متقاطع ( شیارهای متقاطع شیارهایی هستند كه راستای حركت سیال را قطع می‌كنند) متمركز است. بنظر می‌رسد كه سوراخهای از نوع شیار بعضی از مشكلات پایداری را كه در مورد سوراخهای مدور مطرح بود حل می‌كنند به طوری كه تا عدد رینولدزی برابر با كه بر اساس طول ناحیه ورودی تعریف شده است، جریان بصورت آرام باقی می‌ماند ]4[. ویلکینسن[7] و همكاران صفحه‌ای را با سوراخهای بسیار نزدیک بهم طراحی كردند و آنرا مورد آزمایش قرار داده، نشان دادند كه این نوع صفحه حتی زمانی كه محدوده نرخ مكش بالاتر از نرخهای مكش بكار رفته در مطالعات قبلی باشد اصولاً مشابه یک سطح متخلخل یكدست رفتار میكند. ضریب مكش F (نسبت مؤلفه قائم سرعت مكش به سرعت سیال آزاد بر روی صفحه ) برای این آزمایشات در محدودة F<0 ≥0.005- بوده است. در تمامی آزمایشات انجام شده سیال آزاد دارای سرعتی ثابت بود.
2-2- سرمایش
در طی دهة 60 میلادی، قبل از آنكه تكنیكهای عددی حل معادلات لایه مرزی برای جریانهای غیر متشابه بخوبی گسترش یابد، حلهای متشابه قابل توجهی در زمینة توانائیهای عمومی سیستمهای سرمایش ارائه گردید. مثالهایی از این حلها در كارهای هارتنت[8] واكرت[9]]10[ یافت می‌شود. شرایط تشابه اینطور حكم میكند كه ضریب دمش یا مكش با متناسب باشد. برای این نوع حل دمای صفحه ثابت است. نتایج عددی مربوط به لایه‌های مرزی و آرام همراه با دمش یكنواخت، كه در آن تشابه اتفاق نمی‌افتد در كارهای لیبی[10] و چن[11] ]11[ قابل مشاهده است. حل معادلات انرژی و انتقال جرم برای حالت مكش لایه مرزی در محدوده‌ای از مقادیر مكش برای یک صفحه تخت توسط هارتنت و اكرت ]10[ بیان شد. نتیجه‌ای كه بدست آمد آنكه عمل مكش هم ضریب اصطكاك محلی و هم انتقال حرارت و انتقال جرم محلی از صفحه را افزایش می‌دهد.
در بسیاری از كاربردهای عملی سرمایش، لایه مرزی از نوع مغشوش است. در طی 25 سال تحقیق در دانشگاه استانفرد مقدار قابل توجهی اطلاعات آزمایشگاهی در رابطه با مكش یا دمش هوا به یک جریان هوای مغشوش جمع آوری شده است]12[ . این آزمایشات شامل اثرات گرادیان فشار، زبری سطح و انحنای سطح بر روی انتقال حرارت از یک صفحة همدما با وجود مكش یا دمش میباشد. این نتیجه حاصل آمد كه برای نرخهای مكش 0.004- >F لایه مرزی مغشوش به یک لایه مرزی آرام دارای ضخامت ثابت تبدیل می‌شود. هچنین نشان داده شد كه مكش تمایل بر این دارد كه عدد استنتن[12] را به طرف یک مقدار ثابت مساوی با –F بكشاند.
-3- كلكتورهای خورشیدی هواگرمكن مشبّك بدون پوشش (UTC)
همانطوری كه قبلاً بحث شد، مكش باعث افزایش انتقال حرارت از صفحه مشبكی كه تحت تاثیر باد موازی با آن قرار دارد می‌شود. در حقیت لایه های نزدیک به سطح که از ممنتم کمتر و انرژی حرارتی بیشتر(بر اثر تماس با صفحه گرم)برخوردارند از طریق مکش جدا شده و جای آنها را لایه های جدید پر می کنند واین عمل بطور پیوسته ادامه می یابد.
كوتچر[13] و همكارانش ]13 [با انجام آنالیز تحلیلی در حالت مكش پیوسته، متوجه شدند كه در كلكتور هوا گرمكن مشبّك واقعاً نیازی به پوشاندن صفحة جاذب با یک مادة شفاف نیست. آنها نشان دادند كه در یک UTC دارای مكش پیوسته و یكنواخت، تقریباً هیچگونه تلفات جابجایی قابل ملاحظه وجود ندارد و تلفات ناشی از تشعشع نیز كم است. چنین صفحه‌ای تحت دمای ثابت كار خواهد كرد و در نتیجه هیچگونه انتقال حرارت از طریق هدایت گرمایی در خود صفحه مشاهده نمی‌شود. این بیان كنندة آن است كه جنس صفحه هیچ نقشی در انتقال حرارت از یک UTC تحت تاثیر مکش پیوسته ندارد.
تحقیق در مورد چگونگی توسعه و پیشرفت مهندسی كلكتورهای هواگرمن برمی‌گردد به یک مخترع آلمانی بنام وینكی[14] ]14[ كه یک جاذب مشبّك بدون پوشش سقفی را بررسی كرد. همچنین هالیك[15] و پیتر[16]]15[ یک كلكتور هواگرمكن UTC را در محدودة وسیعی از انواع سوراخها جهت استفاده در پیش گرمكن هوای مورد نیاز برای تهویه مورد آزمایش قرار دادند.
گلنشان ]16[یک UTC مشبّك دارای شیارهای مجزّا را مورد مطالعه قرار داد. وی با آنالیز ابعادی معادلات ممنتم و انرژی، تحت اثر شرایط مرزی مناسب در ناحیة Asymptotic، نشان داد كه ضریب كارایی[17]چنین کلکتوری به پنج پارامتر بی‌بعد وابسته خواهد بود. این پنج پارامتر عبارتند از: ضریب تخلخل W/L، عدد رینولدز در سوراخ ، نسبت سرعت مكش به سرعت سیال آزاد ، عدد نوسلت مربوط به تشعشع و ضریب هدایت بی‌بعد صفحه (ضریب Admittance)، .
[17] ضریب كارایی یک UTC بدین صورت تعریف می‌شود: مقدار افزایش دمای سیال مكیده شده نسبت به حداكثر افزایش دمای ممكن. بنابراین اگر میانگین دمای صفحه با ، دمای سیال آزاد با و میانگین دمای سیال خروجی با نشان داده شود ضریب كارایی، بصورت زیر تعریف می‌شود.:
فرم در حال بارگذاری ...