پایان نامه بررسی عددی تأثیر ابعاد هندسی نازلهای تزریق جهت افزایش عملکرد سرمایشی دستگاه ورتکس تیوب

اختصاصی از کوشا فایل پایان نامه بررسی عددی تأثیر ابعاد هندسی نازلهای تزریق جهت افزایش عملکرد سرمایشی دستگاه ورتکس تیوب دانلود با لینک مستقیم و پرسرعت .

فرمت فایل : WORD (قابل ویرایش)

تعداد صفحات:81

پایان نامه کارشناسی‌ ارشد رشته مکانیک گرایش تبدیل انرژی

فهرست مطالب:
فصل اول: مقدمه        
     1-1 رانکیو-هیلش ورتکس تیوب    1    
    1-2 تحقیقات رانکیو    2
    1-3 تحقیقات هیلش    3
    1-4 ورتکس تیوب مخروطی یا واگرا    4
    1-5 ساختار کلی دستگاه    5
    1-6 مزایا و معایب ورتکس تیوب    6
        1-6-1 مزیت¬های عمده ورتکس تیوب    6
        1-6-2 برخی معایب ورتکس تیوب    7
    1-7 ورتکس تیوب¬های تجاری    7
    1-8 کاربردهای ورتکس تیوب    7
        1-8-1 خنک کاری موضعی    7
        1-8-2 گرمایش موضعی    8
        1-8-3 خنک کننده هوای شخصی    9
        1-8-4 کاربرد به عنوان یک سیستم جدا کننده رسوب    9
        1-8-5 کاربرد به عنوان یک سیستم پالاینده در صنایع نفت و گاز    9
        1-8-6 کاربرد در جوشکاری اولتراسونیک    10
    1-9 کارهای آزمایشگاهی    10
    1-10 ساختار کلی پایان نامه    11
فصل دوم: مروری بر کارهای گذشته
    2-1 تحقیقات آزمایشگاهی بر روی ورتکس تیوب    13
        2-1-1 پارامترهای ترموفیزیکی    13
        2-1-2 پارامترهای هندسی    14
    2-2 تحقیقات تئوری بر روی ورتکس تیوب    15
        2-2-1 مدل تراکم و انبساط آدیاباتیک    15
        2-2-2 اثر اصطکاک و توربولانس    15
        2-2-3 مدل جریان آکوستیک    16
        2-2-4 مدل چرخش ثانویه    17
    2-3 تحقیقات عددی بر روی ورتکس تیوب    19
        2-3-1 محل نقاط سکونی طولی و شعاعی داخل ورتکس تیوب    19
    2-4 بررسی نازل¬های تزریق دستگاه    20
        2-4-1 تحقیقات آزمایشگاهی بر روی نازل¬های تزریق دستگاه ورتکس تیوب    21
        2-5-2 مطالعات عددی بر روی نازل¬های تزریق دستگاه ورتکس تیوب    22
فصل سوم: تجزیه و تحلیل نظری ورتکس تیوب
    3-1 بررسی ترمودینامیکی ورتکس تیوب    24
        3-1-1 قانون اول ترمودینامیک    26
        3-1-2 قانون دوم ترمودینامیک    26
    3-2 مدل چرخش ثانویه آلبرن    29
        3-2-1 مدل چرخش ثانویه آلبرن (مدل مبدل حرارتی)    29
        3-2-2 مدل اصلی چرخش ثانویه آلبرن    31
        3-2-3 تفسیر مدل آلبرن    32
        3-2-4 مدل آلبرن اصلاح شده    33
فصل چهارم: مدل عددی بررسی شده    
    4-1 شبیه سازی عددی ورتکس تیوب    38
        4-1-1 معادلات حاکم    38
        4-1-2 مدل¬سازی توربولانس    39
    4-2 توصیف هندسی ورتکس تیوب مدل شده    41
    4-3 شرایط مرزی    42
        4-3-1 ورودی (Inlet)    42
        4-3-2 خروجی سرد (Cold Exit End)    43
        4-3-3 خروجی گرم (Hot Exit End)    43
        4-3-4 دیواره ورتکس تیوب (Wall)    43
    4-4 اهداف و دورنمای بررسی و تحقیق عددی     43
    4-5 بررسی استقلال نتایج عددی از مش بندی    44
    4-6 بررسی مدل توربولانس    45
    4-7 مقایسه نتایج عددی با تجربی و اعتباردهی به نتایج عددی    46
    4-8 بررسی قانون دوم ترمودینامیک برای ورتکس تیوب    47


فصل پنجم: بررسی تأثیر ابعاد نازلهای تزریق بر عملکرد دستگاه ورتکس تیوب

5-1    بررسی تأثیر ارتفاع نازل بر دمای خروجی سرد و گرم دستگاه    49
5-2    مفهوم جریان برگشتی در ورتکس تیوب    53
5-3    بررسی عدد ماخ داخل محفظه چرخش در حالات مختلف ارتفاع نازل    54
5-4    بررسی تناظر بین فشار در محفظه چرخش و دمای خروجی سرد دستگاه    55
5-5    بررسی تأثیر سطح مقطع مستطیلی ورودی نازل بر روی جدایش دمایی سرد دستگاه    58
5-6    توزیع دما و خطوط مسیر    60
5-7    بررسی مولفه چرخشی سرعت و ماکزیمم مقدار آن    61
5-8    نرخ توان سرمایشی و گرمایشی    62
5-9    تحلیل عدد ماخ و فشار کل در مدل حالت بهینه و اسکای و همکاران[66]    63

              
فصل ششم: نتایج و پیشنهادات
6-1 خلاصه نتایج                                           66
6-2 پیشنهاد برای کارهای آتی                                   68
فهرست منابع و مأخذ                                           69
 
فهرست جداول

جدول 2-1: طول و قطر ورتکس تیوبهای استفاده شده در برخی از مقالات    18
جدول 4-1: مشخصات هندسی ورتکس تیوب مدل شده    42
جدول 5-1 دمای خروجی سرد برای ارتفاع های مختلف نازلها     50
جدول 5-2 : مقادیر بیشینه فشار در محفظه چرخش و دمای خروجی سرد دستگاه    57
 جدول 5-3: جدایش دمای خروجی سرد برای نسبت های مختلفη = B/W برای H = 6 m.....59

فهرست اشکال

شکل 1-1: نحوه عملکرد و اجزای یک ورتکس تیوب    1
شکل 1-2: سطح مقطع ورتکس تیوب طراحی شده توسط رانکیو    2
شکل 1-3: ورتکس تیوب مربوط به شرکت Exair    2
شکل 1-4: شماتیک ورتکس تیوب با جریان مخالف    4
شکل 1-5: شماتیک ورتکس تیوب با جریان موازی    4
شکل 1-6: شماتیک ورتکس تیوب مخروطی    5
شکل 1-7: اجزا تشکیل دهنده ورتکس تیوب به همراه پلان مونتاژ    6
شکل 1-8: یک نمونه از ورتکس تیوب ساخت شرکت ITW Vortec (تفنگ هوای سرد)    7
شکل 1-9: کابینت کنترلی ساخته شرکت Exair    8
شکل 1-10: جزئیات خنک کاری یک کابینت کنترلی توسط ورتکس تیوب ساخته¬ی شرکت Exair    8
شکل 1-11: کاربرد ورتکس تیوب در جلیقه¬ی هوا     9
شکل 1-12: استفاده از ورتکس تیوب بعنوان استخراج و جدا کننده رسوب از یک جریان     9
شکل 1-13:  استفاده از ورتکس تیوب به عنوان پالاینده و جدا کننده هیدروکربن¬های سنگین    10
شکل 1-14:  استفاده از ورتکس تیوب برای خنک کاری محل جوشکاری اولتراسونیک    10
شکل 1-15:  نمونه آزمایشگاهی از ورتکس تیوب ساخته شده توسط پورمحمود    11
شکل 2-1: جریان ثانویه در ورتکس تیوب    17
شکل 2-2: مولفه¬های سرعت چرخشی و محوری در z=0/007L و z=0/5L برای کسر دبی¬های مختلف    20
 شکل 2-3: توزیع مولفه¬های سرعت محوری برای نسبت¬های دبی جرمی مختلف در خروجی سرد    20
شکل 3-1: حجم کنترل در نظر گرفته شده برای آنالیز ترمودینامیکی    25
شکل3-2: نتایج حاصل از آنالیز ترمودینامیکی برای دمای سرد و گرم خروجی به صورت تابعی از کسر جرمی سرد   و ضریب فرآیند بازگشت ناپذیری    در K300    و bar 6   و bar 1 . شماره روی منحنی ها مقدار ضریب   می باشد.    28
شکل 3-3: مدل چرخش ثانویه (الف) جریان چرخشی درونی و محیطی در ورتکس تیوب (ب) حلقه چرخش ثانویه و محیطی در ورتکس تیوب (شماره های 0 تا 5 موقعیت هایی است که فرایند به صورت فرضی آغاز و اتمام می¬یابد.)    30
شکل 3-4: توزیع سرعت رانکین در محفظه چرخش    33
شکل 3-5: رابطه بین نسبت فشار بی بعد   و عدد ماخ      36
شکل 4-1: الگوریتم حل تفکیکی بکار گرفته شده در حل معادلات    39
شکل 4-2: پروفیل شبکه ایجاد شده در مدل سه بعدی پریودیک با نمایش میدان محاسباتی مساله    41
شکل 4-3: مطالعه استقلال از مش بندی بر مبنای حداکثر جدایش دمایی سرد    45
شکل 4-4: مطالعه استقلال از مش بندی بر مبنای حداکثر سرعت چرخشی در محفظه چرخش    45
شکل 4-5: دمای گاز در خروجی سرد به ازای مدل های مختلف توربولانس    46
شکل 4-6: دمای گاز در خروجی گرم به ازای مدل های مختلف توربولانس    46
شکل 4-7: جدایش دمایی به دست آمده در خروجی سرد    46
شکل 4-8: جدایش دمایی به دست آمده در خروجی گرم    46
شکل 4-9: اختلاف آنتروپی ایجاد شده به ازای فشارهای مختلف ورودی به ورتکس تیوب    48
شکل 5-1: نمایی از ورتکس تیوب و پارامترهای هندسی نازل آن.............................................................49
شکل 5-2 : نمودار دمای خروجی سرد برحسب ارتفاع نازل برای w = 0.8 mm    50
شکل 5-3 : نمودار دمای خروجی سرد برحسب ارتفاع نازل برای w = 0.9 mm    50
شکل 5-4 : نمودار دمای خروجی سرد برحسب ارتفاع نازل برای w = 1 mm    50
شکل 5-5 : نمودار دمای خروجی سرد برحسب ارتفاع نازل برای w = 1.2 mm    50
شکل 5-6 : نمودار مقایسه جدایش دمایی در α=0.3 برحسب ارتفاع نازل برای عرض های متفاوت نازل در a) خروجی سرد و b) خروجی گرم    51
شکل 5-7: نمودار دمای خروجی سرد برحسب عرض نازل برای ارتفاع نازل 5 میلیمتر    52
شکل 5-8: نمودار دمای خروجی سرد برحسب عرض نازل برای ارتفاع نازل 6 میلیمتر    52
شکل 5-9: نمودار دمای خروجی سرد برحسب عرض نازل برای ارتفاع نازل 7 میلیمتر    52
 شکل5-10:کانتورهای دمایی برای حالاتa)حالت بهینهb) بدترین حالت    53
شکل 5-11: نمایش دو بعدی خطوط مسیردر نزدیکی خروجی سرد بر حسب سرعت محوری    54
شکل 5-12: طیف دمای کل در مقطعی نزدیک خروجی سرد    54
شکل5-13:کانتورهای ماخ برای فاز یک بررسی و حالاتa)حالت بهینهb) حالت میانی c)بدترین حالت    55
شکل 5-14 : نمودار تغییرات فشار در راستای شعاعی برای ارتفاع 5 و برای عرض نازل 0.8 و 1.2 میلی متر در محفظه چرخش    56
شکل 5-15: نمودار تغییرات فشار در راستای شعاعی برای ارتفاع 6 و برای عرض نازل 0.8 و 1.2 میلی متر در محفظه چرخش    56
شکل 5-16: نمودار تغییرات فشار در راستای شعاعی برای ارتفاع H=7 و برای عرض نازل 0.8 و 1.2 میلی متر در محفظه چرخش    57
 شکل 5-17: (کانتور فشار برای محفظه چرخش برای عرض نازل 0.8 میلیمتر(b  کانتورفشار برای محفظه چرخش برای عرض نازل 1.2 میلیمتر    58
 شکل 5-18 : نمودار اختلاف دمای خروجی سرد با ورودی دستگاه برحسب η    59
شکل 5-19: کانتور دما بر حسب کلوین در مقاطع مختلف ورتکس تیوب برای ورودی 8.34 g/s-1    60
شکل 5-20: خطوط مسیر برای سیال در ورتکس تیوب بر حسب دمای کل    61
شکل 5-21: مقایسه ی روند تغییرات سرعت چرخشی در راستای شعاعی برای مدل اسکای و همکاران [66] و مدل بهینه در z/L = 0.1    62
شکل 5-22:نمودار ظرفیت گرمایشی برای W های مختلف به ازای H های متفاوت    62
شکل 5-23نمودار ظرفیت سرمایشی برای W های مختلف به ازای H های متفاوت    63
 شکل 5-24: مقایسه ی روند تغییرات عدد ماخ در راستای شعاعی برای مدل اسکای و همکاران [66] و مدل بهینه در z/L = 0.1    64
 شکل 5-25: مقایسه ی روند تغییرات فشار کل در راستای شعاعی برای مدل اسکای و همکاران [66] و مدل بهینه در z/L = 0.11    64
شکل 5-26: مقایسه ی روند تغییرات اختلاف دمای کل در راستای خط مرکزی لوله برای مدل اسکای و همکاران [66] و مدل بهینه بازای z/l های مختلف    65

چکیده
در این مطالعه، با استفاده از تکنیک دینامیک سیالات محاسباتی، سعی بر آن شده است که ابعاد بهینه برای نازلهای تزریق دستگاه ورتکس تیوب بدست آید. بدین منظور شبیه سازی عددی برای مقادیر مختلف طول، عرض و ارتفاع نازل¬های تزریق انجام گرفته و سایر ابعاد ورتکس تیوب¬های مدل شده برای تمام مدل ها یکسان در نظر گرفته شده است که همان ابعاد دستگاه ورتکس تیوب اسکای و همکاران می باشد. نتایج عددی برای جریان های آشفته و تراکم پذیر با استفاده از مدل توربولانس استانداردk-ε  به دست آمده اند. هدف اصلی این مطالعه عددی بدست آوردن حداقل دمای ممکن در خروجی سرد با تغییر ابعاد نازلهای تزریق می¬باشد. در بررسی حاضر، به بررسی فشار در محفظه چرخش و رابطه آن با دمای خروجی سرد دستگاه پرداخته شد که در نهایت به ازای مقادیر خاصی از ابعاد نازل¬های تزریق، جدایش انرژی بهتری حاصل شده است. در نهایت برخی از نتایج حاصل از کار عددی با نتایج تجربی مقایسه شده اند که مطابقت قابل قبولی بین آنها وجود دارد.


کلمات کلیدی
ورتکس تیوب، نازل، جدایش دمایی، شبیه سازی عددی، محفظه چرخش ، جریان های برگشتی.