بررسی تجربی و شبیه¬سازی عددی جریان در لوله ورتکس

59,000تومان

توضیحات

دانلود و مشاهده قسمتی از متن کامل پایان نامه :

 

دانشگاه صنعتی اصفهان

دانشکده مهندسی مکانیک

بررسی تجربی و شبیه­ سازی عددی جریان در لوله ورتکس

پایان­نامه کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک- تبدیل انرژی

…………………………..

استاد راهنما:

دکتر محسن دوازده­امامی

 

 

 

 

1393

فهرست مطالب

عنوان صفحه

فهرست مطالب.. هشت

فهرست شکل‌ها دوازده

فهرست جدول‌ها هفده

فهرست علائم اختصاری.. هجده

علائم یونانی.. بیست

پانویس ها بیست­و­یک

چکیده 1

فصل اول : مقدمه

1-1-مقدمه‌ای بر لوله ورتکس    2

1-2-برخی از کاربردهای لوله ورتکس    3

1-2-1-کاربردهای خنک ساز موضعی.. 4

1-2-2-کاربردهای گرما ساز موضعی.. 5

1-2-3-تجهیزات آزمایشگاهی لوله ورتکس… 6

1-2-4-تهویه مطبوع شخصی.. 6

1-3-نظریه‌های رایج در مورد لوله ورتکس… 7

1-4-تحلیل نظری لوله ورتکس… 7

1-4-1-تحلیل ترمودینامیکی سیستم لوله ورتکس… 7

1-4-1-1-قانون بقای جرم. 8

1-4-1-2-قانون اول ترمودینامیک… 8

1-4-1-3-قانون دوم ترمودینامیک… 9

1-4-2-راندمان‌های سیستم لوله ورتکس[2] 12

1-4-2-1-راندمان‌های گرمایی برای سیستم لوله ورتکس… 12

1-4-2-2-راندمان برای یک انبساط ایزنتروپیک کامل. 13

1-4-2-3-راندمان کارنو. 13

1-4-2-4-معیاری بر مبنای سیکل کارنو. 14

1-5-پژوهش پیش روی   14

فصل دوم : ادبیات تحقیق

2-1-مقدمه. 15

2-2-مطالعات تجربی   16

2-2-1-سیال عامل. 16

2-2-2-هندسه. 16

2-2-3-میدان جریان داخلی.. 20

2-2-3-1-آشکارسازی جریان. 20

2-2-3-2-توزیع‌های سرعت در داخل لوله ورتکس… 21

2-2-3-3-اثبات تجربی جریان گردشی ثانویه. 22

2-3-توسعه تئوری   25

2-3-1-انتقال حرارت اصطکاکی.. 25

2-4-مدل جریان صوتی در لوله ورتکس… 27

2-5-مطالعات دینامیک سیالات محاسباتی.. 29

فصل سوم : معادلات حاکم

3-1-مقدمه. 33

3-2-تاریخچه CFD.. 34

3-3-کاربردهای CFD.. 34

3-4-معادلات ناویر استوکس… 34

3-5-معادلات حاکم در بخش دینامیک سیالات محاسباتی.. 35

3-5-1-مدل ….. 36

3-5-2-مدل …… 40

3-5-3-مدل …………… 41

3-6-شرایط مرزی.. 43

فصل چهارم : نتایج

4-1-مقدمه. 44

4-2-بررسی تجربی   44

4-2-1-نتایج بررسی تجربی.. 47

4-2-2-اندازه‌گیری خطا 48

4-2-3-منابع خطا 48

4-2-3-1-خطای شخص    48

4-2-3-2-خطای دستگاه 48

4-2-3-3-خطای منظم (سیستماتیک) 48

4-2-3-4-خطای کاتوره ای(نامنظم) 48

4-2-4-خطای مطلق. 48

4-2-4-1-عدم قطعیت و آنالیز خطا 48

4-3-شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی.. 53

4-3-1-روش بکار گرفته‌شده 53

4-3-2-استفاده از نتایج تجربی.. 54

4-3-3-مدل دینامیک سیالات محاسباتی لوله ورتکس… 54

4-3-4-شرایط مرزی.. 59

4-3-4-1-ورودی نازل‌ها 59

4-3-4-2-خروجی سرد. 59

4-3-4-3-خروجی گرم. 59

4-3-5-مطالعه استقلال از شبکه. 60

4-3-6-انطباق شبکه. 62

4-3-7-نتایج عملکرد مدل های توربولانسی.. 63

4-3-7-1-کانتورهای دما 66

4-3-7-2-توزیع های سرعت مماسی  ،و محوری …. 72

4-3-7-3-کانتور چگالی.. 73

4-3-7-4-کانتورهای عدد ماخ. 74

4-3-7-5-نمایش خطوط جریان. 76

4-3-8-خطای شبیه سازی.. 79

4-3-9-نمودار باقیمانده 80

4-3-10-عملکرد شبکه با ساختار نامنظم. 82

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادها

5-1-نتیجه‌گیری.. 85

5-2-پیشنهادها 86

پیوست88

ده

گسسته سازی معادلات CFD حاکم. 88

رویکرد حل در نرم‌افزار Ansys CFX 14.5. 91

فرایند انطباق شبکه[52] 92

روش‌شناسی CFD.. 94

ایجاد هندسه و شبکه. 94

تعریف فیزیک مدل. 94

حل مسئله. 94

باقیمانده‌ها 95

نمایش نتایج در پس پردازنده 95

مراجع.. 96

 

 

 

فهرست شکل‌ها

شکل ‏1‑1: طرحی از یک نمونه لوله ورتکس [3] 3

شکل ‏1‑2: لوله ورتکس تجاری ساخت شرکت Exair [3] 4

شکل ‏1‑3تفنگ هوای سرد ساخت ITW Vortec [3] 4

شکل ‏1‑4: کابین کنترل لوله ورتکس ساخت Exair [3] 5

شکل ‏1‑5: توصیف خنک کاری کابین کنترل توسط لوله ورتکس [3] 5

شکل ‏1‑6: خنک‌سازی لنز دوربین عکاسی توسط لوله ورتکس [3] 5

شکل ‏1‑7: تجهیزات آزمایشگاهی لوله ورتکس ساخت P.A.Hilton Ltd [4] 6

شکل ‏1‑8:تهویه مطبوع شخصی ساخت ITW Vortec [5] 6

شکل ‏1‑9: حجم کنترل بصورت خطوط پر رنگ نشان داده‌شده در شکل می‌باشد. 8

شکل ‏1‑10: دمای خروجی سرد و گرم به صورت تابعی از کسر سرد براساس تحلیل ترمودینامیکی با در نظر گرفتن ضریب فرایندهای برگشت ناپذیر ، در ،  و . اعداد روی نمودار نشان دهنده مقادیر ضریب  می باشند. 11

شکل ‏2‑1: طرح‌واره یک نمونه از لوله ورتکس جریان موافق. 17

شکل ‏2‑2: طرح‌واره لوله ورتکس با جریان گاز برگشتی[24] 18

شکل ‏2‑3: نمودار دما بر حسب کسر سرد ارائه‌شده توسط گائو و همکاران مربوط به استفاده از 4 نازل در ورودی و فشار ورودی 5.75 بار و استفاده از نیتروژن به عنوان سیال عامل[2] 19

شکل ‏2‑4: نمودار دما بر حسب کسر سرد ارائه‌شده توسط گائو و همکاران مربوط به استفاده از 2 نازل در ورودی و فشار ورودی 5.75 بار و نیتروژن به عنوان سیال عامل[2] 19

شکل ‏2‑5: نازل‌های استفاده‌شده در کار دینسر و همکاران. a)دونازله b)چهار نازله c)6 نازله[28] 20

شکل ‏2‑6تجهیزات آزمایشگاهی جهت اندازه‌گیری جریان‌های داخلی در لوله ورتکس[2] 21

شکل ‏2‑7:نتایج تجربی مربوط به سرعت‌های مماسی داخلی نرمالیزه شده در موقعیت‌های شعاعی و محوری مختلف بی بعد شده در لوله ورتکس برای  [2] 22

شکل ‏2‑8: نتایج تجربی مربوط به سرعت‌های محوری داخلی بی بعد شده در موقعیت‌های شعاعی و محوری مختلف، در لوله ورتکس برای  [2] 22

شکل ‏2‑9:a)جریان‌های چرخشی محیطی و داخلی b)حلقه‌های محیطی و چرخشی ثانویه [6] 23

شکل ‏2‑10: طرح‌واره الگوی جریان در یک لوله ورتکس بر اساس نظریه انتقال حرارت اصطکاکی [1] 26

شکل ‏2‑11: گردابه اجباری و گردابه آزاد [1] 26

شکل ‏2‑12: دانسیته طیفی سیگنال صوتی به دست آمده توسط کوروساکا [26] 27

شکل ‏2‑13: گراف توصیف‌کننده رفتار جدایی انرژی و صوتی خروجی از لوله کوروساکا به صورت القاء افزایش فرکانس [26] 28

شکل ‏2‑14: مقایسه نتایج شبیه‌سازی عددی به صورت تغییرات دمای خروجی سرد و گرم بر حسب کسر سرد با نتایج تجربی در کار اسکای و همکاران [46] 30

شکل ‏2‑15: نمودار خط جریان سرعت محوری بر روی محور مرکزی لوله ورتکس با نسبت  نزدیک به ناحیه خروجی سرد[45] 30

شکل ‏2‑16: (a) الگوی جریان نزدیک به خروجی سرد که نشان از وجود جریان ثانویه دارد(b) الگوی جریان نزدیک به خروجی سرد که نشان از عدم وجود جریان ثانویه دارد[45] 31

شکل ‏2‑17: نمودار تاثیر قطر مخروط ناقص بهینه بر بهبود عملکرد جدایی دما توسط لوله ورتکس، ارائه شده توسط رفیعی و صادقیآزاد[50] 32

شکل ‏4‑1: تجهیزات لوله ورتکس مدل433R ساخت شرکت P.A.Hilton Ltd موجود در آزمایشگاه 45

شکل ‏4‑2: طرح‌واره سیکل جریان هوا در تجهیزات لوله ورتکس با مدل تجاری R433 ساخت شرکت P.A.Hilton. 1)ترموکوپل شماره یک 2) فشارسنج گیج (0تا 21 کیلوپاسکال) 3)ترموکوپل شماره 2. 46

شکل ‏4‑3: ابعاد هندسی لوله ورتکس به همراه نازل موجود در محفظه ورتکس… 46

شکل ‏4‑4: نمودار دمای (درجه کلوین)خروجی‌های سرد و گرم لوله ورتکس بر حسب کسر سرد به همراه میله خطا 51

شکل ‏4‑5: نمودار فشار (کیلوپاسکال) خروجی سرد برحسب کسر سرد به همراه میله خطا 52

شکل ‏4‑6: نمودار راندمان آیزنتروپیک بر حسب کسر سرد به همراه میله خطا 52

شکل ‏4‑7: نمودار ضریب عملکرد به عنوان گرماساز و سرماسازبر حسب کسر سرد به همراه میله خطا 53

شکل ‏4‑8: مدل دینامیک سیالات محاسباتی لوله ورتکس… 56

شکل ‏4‑9: نماهای مختلف از شبکه ایجاد شده با ساختار منظم. 58

شکل ‏4‑10: نمودار مطالعه استقلال از شبکه بر اساس اختلاف دمای استاتیک خروجی گرم و سرد. 60

شکل ‏4‑11: المان شبکه مرحله 1. 61

شکل ‏4‑12: المان شبکه مرحله 6. 62

شکل ‏4‑13: استفاده از تکنیک انطباق شبکه. 62

شکل ‏4‑14: مقایسه نتایج عملکرد سه مدل توربولانسی مختلف با نتایج تجربی که محور عمودی نشان‌دهنده دمای هوای خروجی سرد و گرم(  و )، و محور افقی نشان‌دهنده کسر سرد ( ) می‌باشد. 63

شکل ‏4‑15: نمودار مقایسه ضریب عملکرد برحسب کسر سرد مدل  استاندارد و نتایج تجربی. 64

شکل ‏4‑16: نمودار ضریب عملکرد برحسب کسر سرد مدل  و نتایج تجربی. 64

شکل ‏4‑17: نمودار ضریب عملکرد برحسب کسر سرد مدل  و نتایج تجربی. 65

شکل ‏4‑18: نمودار مقایسه راندمان ایزنتروپیک برحسب کسر سرد برای سه مدل توربولانسی و نتایج تجربی. 65

شکل ‏4‑19: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل  در ،                      66

شکل ‏4‑20: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل  در  و                      66

شکل ‏4‑21: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل  در  و                      66

شکل ‏4‑22: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل  در و                       67

شکل ‏4‑23: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل  در  و                        67

شکل ‏4‑24: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل  در  و                        67

شکل ‏4‑25: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل  در  و                        67

شکل ‏4‑26: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل  در  و                         68

شکل ‏4‑27: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل  در  و                      68

شکل ‏4‑28: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل  در  و                      68

شکل ‏4‑29: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل  در  و                      68

شکل ‏4‑30: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل  در  و                       69

شکل ‏4‑31: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل  در  و                       69

شکل ‏4‑32: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل  در و                        69

شکل ‏4‑33: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل  در  و                        69

شکل ‏4‑34: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل  در  و                        70

شکل ‏4‑35: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل  در  و                         70

شکل ‏4‑36: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل ،در  و                        70

شکل ‏4‑37: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل  در  و                      70

شکل ‏4‑38: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل  در  و                       71

شکل ‏4‑39: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل  در  و                        71

شکل ‏4‑40: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل  در  و                        71

شکل ‏4‑41: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل  در  و                        71

شکل ‏4‑42: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل  در  و                        72

شکل ‏4‑43: توزیع سرعت مماسی  برای مدل  در  و  در فواصل  از خروجی گرم. 73

شکل ‏4‑44: توزیع سرعت محوری  برای مدل  در  و  در فواصل  از خروجی گرم. 73

شکل ‏4‑45: کانتور چگالی برای مدل  در ……………………………….. 74

شکل ‏4‑46: کانتور چگالی برای مدل  در ……………………………….. 74

شکل ‏4‑47: کانتور چگالی برای مدل  در ……………………………….. 74

شکل ‏4‑48: کانتور عدد ماخ برای مدل  در  الف) صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس ب) صفحه عبوری از محفظه ورتکس… 75

شکل ‏4‑49: کانتور عدد ماخ برای مدل  در  الف) صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس ب) صفحه عبوری از محفظه ورتکس… 75

شکل ‏4‑50: کانتور عدد ماخ برای مدل  در  الف) صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس ب) صفحه عبوری از محفظه ورتکس… 76

شکل ‏4‑51: خطوط جریان به همراه کانتور عدد ماخ، که نشان دهنده ایجاد گلوگاه همگرا-واگرا به عنوان دلیل افزایش عدد ماخ به بالاتر از یک میباشد  76

شکل ‏4‑52: خطوط جریان برای مدل  در  و ……………….. 77

شکل ‏4‑53: خطوط جریان برای مدل  در  و ……………….. 77

شکل ‏4‑54: خطوط جریان برای مدل  در  و ……………….. 78

شکل ‏4‑55: خطوط جریان برای مدل  در  و ………………… 78

شکل ‏4‑56: خطوط جریان برای مدل  در  و …………………. 78

شکل ‏4‑57: خطوط جریان برای مدل  در  و …………………. 78

شکل ‏4‑58: خطوط جریان برای مدل  در  و …………………. 79

شکل ‏4‑59: خطوط جریان برای مدل  در  و ………………….. 79

شکل ‏4‑60: نمودار باقیمانده مربوط به جرم و ممنتوم برای مدل …… 80

شکل ‏4‑61: نمودار باقیمانده مربوط به انتقال حرارت برای مدل …… 81

شکل ‏4‑62: نمودار باقیمانده مربوط به توربولانس برای مدل …… 81

شکل ‏4‑63: شبکه با تعداد 884957 سلول و ساختار نامنظم. 82

شکل ‏4‑64: نمودار باقیمانده جرم و ممنتوم مربوط به شبکه با ساختار نامنظم. 83

شکل ‏4‑65: نمودار باقیمانده انتقال حرارت مربوط به شبکه با ساختار نامنظم. 83

شکل ‏4‑66: نمودار باقیمانده مربوط به شبکه با ساختار نامنظم. 84

شکل پ‑1: ایجاد حجم کنترل در یک شبکه دو بعدی[52] 88

شکل پ‑2: المان شبکه. 89

شکل پ‑3: روند کلی حل نرم‌افزارCFX برای یک جریان تراکم پذیر، مغشوش و دائم با گرادیان‌های دمایی. 92

شکل پ‑4: فلوچارت مربوط به فرایند انطباق شبکه[52] 93

شکل پ‑5: ماژول‌های نرم‌افزاری موجود در نرم‌افزارAnsys CFX14.5. 94

 

 

 

 

 

فهرست جدول‌ها

جدول ‏3‑1: مزایا و معایب مدل توربولانسی ….. 40

جدول ‏3‑2: مزایا و معایب مدل توربولانسی …… 41

جدول ‏4‑1: نتایج تجربی به دست آمده در فشار و دمای ورودی به ترتیب 680 کیلوپاسکال و 290 درجه کلوین. 47

جدول ‏4‑2: عدم قطعیت برای کسر سرد، ضریب عملکرد سرماساز، ضریب عملکرد گرماساز و راندمان آیزنتروپیک در کسرهای سرد مختلف در فشار و دمای ورودی به ترتیب 680 کیلوپاسکال و 290 درجه کلوین. 50

جدول ‏4‑3: مطالعه استقلال از شبکه. 61

جدول ‏4‑4: درصد خطای شبیه سازی با استفاه از سه مدل توربولانسی نسبت به نتایج اندازه گیری تجربی. 79

فهرست علائم اختصاری

مساحت سطح مقطع نازل های ورودی( )
سرعت صوت( )
ضریب عملکرد سرما ساز
ضریب عملکرد پمپ گرمایی
ضریب عملکرد کارنو
ظرفیت حرارتی ویژه در فشار ثابت( )
ظرفیت حرارتی ویژه در حجم ثابت( )
قطر خروجی سرد لوله ورتکس(m)
قطر لوله ورتکس(m)
آنتالپی ویژه سکون( )
آنتالپی ویژه استاتیک( )
انرژی داخلی بر واحد جرم( )
انرژی جنبشی مغشوش
طول لوله ورتکس(m)
عدد ماخ
دبی جرمی( )
بردار نرمال سطح
هجده

فشار(Pa)

فشار سکون(Pa)
عدد پرانتل
انرژی حرارتی( )
نرخ انتقال حرارت(w)
مختصات قطبی
ثابت ویژه گاز
آنتروپی ویژه جریان( )
نرخ افزایش آنتروپی سیستم( )
نرخ تولید آنتروپی( )
دمای سکون( )
دمای استاتیک( )
زمان( )
بردار سرعت( )
مؤلفه‌ی x بردار سرعت( )
مولفه x نوسانی بردار سرعت( )
مولفه x متوسط بردار سرعت( )
حجم( )
مؤلفه‌ی y بردار سرعت( )
نوزده

مولفه y نوسانی بردار سرعت( )

مولفه y متوسط بردار سرعت( )
سرعت متوسط در رابطه (3-8)( )
مؤلفه‌ی z متوسط بردار سرعت()
مؤلفه‌ی z بردار سرعت( )
مؤلفه‌ی z نوسانی بردار سرعت( )
توان(W)
ارتفاع نسبت به مرجع( )
اختلاف دمای آیزنتروپیک
ماکزیمم اختلاف دما بین گاز ورودی و گاز سرد

علائم یونانی

نفوذ( )
نفوذ مغشوش موثر( )
ضریب اتمیسیته
نرخ اتلاف مغشوش بر واحد جرم( )
لزجت( )
کسر سرد
لزجت مغشوش موثر( )
بیست

لزجت مغشوش( )

لزجت سینماتیکی( )
لزجت سینماتیکی مغشوش( )
چگالی( )
نرخ تولید آنتروپی بی بعد شده
راندمان کارنو
تنش برشی ویسکوز( )
تنش برشی رینولدز( )
مقیاس زمانی معکوس مرتبط با مغشوش( )
مولفه y متوسط بردار سرعت( )
مؤلفه‌ی z متوسط بردار سرعت( )

پانویس ها

ورودی
خروجی سرد
خروجی گرم
کارنو
سرما ساز
پمپ گرمایی
محیط
آیزنتروپیک
بیست­و­یک

نقاط انتگرال گیری

 

چکیده

لوله ورتکس یک وسیله ساده مکانیکی است که فاقد قسمت‌های متحرک بوده و یکی از تجهیزات مورد استفاده در سیستم تبرید می‌باشد، که در آن یک سیال پرفشار از طریق نازل‌های ورودی وارد لوله ورتکس شده و به دو جریان با دمای کمتر، و بیشتر از دمای ورودی منشعب می‌شود بدین صورت می‌توان دماهای تا 40- درجه سانتی‌گراد را ایجاد کرد. لوله ورتکس به عنوان خنک­ساز موضعی و گرماساز موضعی، دارای کاربرد وسیعی در صنعت می­باشد که از آن جمله می­توان به مواردی چون: خنک کردن قالب‌های تزریق پلاستیک، عملیات رطوبت­زدایی گاز، عملیات آب­بندی حرارتی، خنک کردن کابین کنترل محفظه­های الکتریکی خنک­سازی لنزهای دوربین عکاسی، تنظیمات چسب­ها و لحیم­ها و خشک کردن جوهر روی برچسب­ها و بطری­ها اشاره کرد. اگرچه با وجود اینکه تاکنون مطالعات تجربی زیادی بر روی عملکرد لوله ورتکس صورت گرفته است اما همچنان فهم فیزیکی جریان و مکانیزم پدیده جدایش دمای گاز یا بخار عبوری از آن به دلیل پیچیدگی جریان و ناسازگاری نتایج تجربی به طور کامل استنباط نشده است. در این پایان نامه با هدف ثبت دماهای سرد و گرم ناشی از پدیده جدایش دما بر حسب کسر سرد ابتدا به بررسی تجربی عملکرد یک نمونه از تجهیزات آزمایشگاهی لوله ورتکس با مدل 433R ساخت شرکت P.A.Hilton واقع در بریتانیا پرداخته شده است. نتایج بررسی تجربی شامل نمودارهای دمای استاتیک خروجی سرد و گرم برحسب کسر سرد و همچنین نمودار فشار خروجی سرد برحسب کسر سرد می­باشد. با استفاده از دمای استاتیک خروجی سرد و گرم نمودارهای ضرسب عملکرد گرماساز و سرماساز لوله ورتکس و همچنین راندمان آیزنتروپیک نیز با توجه به روابط موجود ارائه شده است. عدم قطعیت نتایج بررسی تجربی نیز با استفاده از رابطه تجربی هولمن محاسبه شده و به صورت میله خطا بر روی نمودارها رسم شده است. در ادامه با استفاده از روش های دینامیک سیالات محاسباتی موجود در نرم افزار ANSYS CFX14.5، شبیه سازی عددی جریان حالت دائم،تراکم پذیر و سه بعدی با ایجاد شبکه محاسباتی دارای ساختار منظم و شش­وجهی، برروی هندسه لوله ورتکس فوق الذکر و با استفاده از مدل های مغشوشی چون  استاندارد  و  انجام شده است. ضمن اینکه شرط مرزی ورودی و خروجی سرد اعمال شده، منطبق بر شرایط آزمایشگاهی می باشد در حالی­که در خروجی گرم از شرط مرزی مصنوعی استفاده شده است. مطالعه استقلال از شبکه نیز با تمرکز بر روی اختلاف دمای استاتیک خروجی گرم و سرد لوله ورتکس به انجام رسیده است. شرح و چگونگی انجام پدیده جدایش دما و الگوی جریان به عنوان هدف شبیه سازی انجام شده در این پایان نامه مطرح نمی باشد. در پایان نمودارهای دمای استاتیک خروجی سرد و گرم، ضریب عملکرد و راندمان آیزنتروپیک ناشی از نتایج شبیه سازی عددی با نتایج بررسی تجربی مقایسه شده است. ضمن اینکه نتایج شبیه­سازی عددی به صورت کانتورهای دمای استاتیک، دمای سکون، چگالی عدد ماخ توزیع­های سرعت و همچنین نمایش خطوط جریان با تمرکز بر روی موقعیت نقطه سکون و ناحیه شکل­گیری جریان ثانویه نیز ارائه شده است.

کلمات کلیدی: لوله ورتکس، بررسی تجربی، دینامیک سیالات محاسباتی، جدایش دما، کسر سرد، مدل  استاندارد،  و  ،

1          فصل اول
مقدمه

1-1-     مقدمه‌ای بر لوله ورتکس

لوله ورتکس[1] که بعضاً با نام‌هایی چون لوله ورتکس رنک–هیلش یا لوله رنک-هیلش شناخته می‌شود اختراع مبتکرانه ایست که ایده آن توسط دو دانشمند فرانسوی و آلمانی به نام‌های جورجس جوزف رنک[2] و ردلف هیلش[3] به طور مستقل در خلال سال‌های جنگ جهانی دوم در اروپا مطرح شد[1].

لوله ورتکس یک وسیله ساده مکانیکی است که فاقد قسمت‌های متحرک بوده و یکی از تجهیزات مورد استفاده در سیستم تبرید می‌باشد، که در آن یک سیال پرفشار از طریق نازل‌های ورودی وارد لوله ورتکس شده و به دو جریان با دمای کمتر، و بیشتر از دمای ورودی منشعب می‌شود، (بدون هیچ‌گونه واکنش شیمیایی یا دخالت منبع خارجی انرژی ) بدین صورت می‌توان دماهای تا 40- درجه سانتی‌گراد را ایجاد کرد. لوله ورتکس شامل بخش‌هایی از قبیل یک یا چند نازل ورودی یک محفظه ورتکس[4] یک اوریفیس در انتهای سرد[5] شیر کنترل در انتهای گرم[6] و یک لوله می‌باشد (شکل1-1). وقتی سیال پرفشار بصورت مماس توسط نازل‌های ورودی به محفظه ورتکس تزریق می‌شود، یک جریان چرخشی در محفظه ورتکس ایجاد می‌شود. وقتی چرخش جریان سیال به سمت مرکز محفظه ورتکس ادامه پیدا می‌کند، سیال منبسط و سرد می‌شود. در محفظه ورتکس بخشی از سیال به سمت خروجی گرم می‌چرخد و بخش دیگر سیال مستقیماً در خروجی سرد موجود است. بخشی از گاز موجود در لوله ورتکس به خاطر مؤلفه محوری سرعت بر می‌گردد و از انتهای گرم به انتهای سرد حرکت می‌کند. در خروجی گرم سیال با دمای بیشتری خارج می‌شود درحالی‌که در خروجی سرد، سیال دمای کمتری در مقایسه با دمای ورودی دارد[2]. لوله ورتکس در مقایسه با دیگر وسایل موجود در سیکل تبرید مزایایی دارد از قبیل: سادگی، فقدان اجزای متحرک، عدم حضور جریان الکتریسیته، عدم انجام هیچ‌گونه واکنش شیمیایی، نگهداری آسان، تأمین فوری هوای سرد، پایداری عملکرد (به خاطر استفاده از فولاد ضد زنگ و محیط کار تمیز) و تنظیم دما. همچنین وابستگی به گاز فشرده و بازده گرمایی پایین ممکن است برخی از کاربردهای آن را محدود کند.

شکل ‏1‑1: طرحی از یک نمونه لوله ورتکس [3]

1-2-     برخی از کاربردهای لوله ورتکس

اگرچه با وجود اینکه تا کنون اثبات قاطعانه‌ای در مورد حالت انتقال حرارت در داخل لوله ورتکس صورت نگرفته و علیرغم درک ناقص این پدیده،اخیراً لوله ورتکس، با کاربرد خنک سازهای موضعی در مقیاس‌های کوچک و بصورت تجاری توسعه زیادی یافته‌اند. امروزه تعداد قابل‌توجهی از شرکت‌های تولیدکننده وجود دارند که از تئوری لوله ورتکس بصورت کاربردی و موثر به عنوان یک راه حل در کاربردهای صنعتی بهره می‌گیرند. از جمله این شرکت‌ها می‌توان به Exair و ITW Vortec اشاره کرد که هر دو در ایالات‌متحده مشغول به فعالیت می‌باشند. این شرکت‌ها محصولات خود را بر اساس محدوده مختلفی از کاربردها و بر اساس کیفیت‌های زیر از فن آوری لوله ورتکس عرضه می‌کنند:

  • سرمایش پاک
  • نگهداری آسان –فقدان اجزای متحرک
  • دمای پایدار خروجی
  • سرمایش، بدون نیاز به الکتریسیته و مبرد
  • قابل‌اطمینان، فشرده و سبک‌وزن
  • قیمت ارزان

با وجود اینکه موارد زیادی برای کاربردهای لوله ورتکس، به عنوان خنک ساز و گرماساز موضعی وجود دارند (که در ادامه تشریح خواهد شد) اما همچنان نیز می‌توان ایده‌های مبتکرانه‌ای در مورد کاربردهای لوله ورتکس ارائه داد. در شکل (1-2) یک نمونه از مدل تجاری لوله ورتکس ساخت شرکت Exair نشان داده شده است.

شکل ‏1‑2: لوله ورتکس تجاری ساخت شرکت Exair [3]

 

1-2-1-    کاربردهای خنک ساز موضعی

لوله‌های ورتکس دارای محدوده وسیعی از کاربردهای خنک ساز موضعی در خطوط تولید ماشین‌آلات و فرآیندها می‌باشند. یک نمونه از آن تفنگ هوای سرد با اساس مغناطیسی می‌باشد که به عنوان جایگزین ماده خنک‌کننده در فرایندهای ماشین‌کاری مورد استفاده قرار می‌گیرد و در شکل (1-3) نشان داده شده است.

شکل ‏1‑3تفنگ هوای سرد ساخت ITW Vortec [3]

برخی دیگر از کاربردهای خنک ساز موضعی شامل موارد زیر می‌شود:

  • خنک کردن قالب‌های تزریق پلاستیک
  • عملیات رطوبت زدایی گاز
  • عملیات آب بندی حرارتی
  • خنک کردن کابین کنترل محفظه‌های الکتریکی، که در شکل‌های (1-4) و (1-5) توضیح داده شده است
  • خنک‌سازی لنزهای دوربین‌های عکاسی که در شکل (1-6) نشان داده شده است.

شکل ‏1‑4: کابین کنترل لوله ورتکس ساخت Exair [3]

شکل ‏1‑5: توصیف خنک کاری کابین کنترل توسط لوله ورتکس [3]

 

شکل ‏1‑6: خنک‌سازی لنز دوربین عکاسی توسط لوله ورتکس [3]

 

1-2-2-    کاربردهای گرما ساز موضعی

با استفاده از هوای گرم خروجی، برخی از کاربردهای گرمایش موضعی شامل موارد زیر می‌شود:

  • تنظیمات چسب‌ها و لحیم‌ها
  • خشک کردن جوهر روی برچسب‌ها و بطری‌ها

1-2-3-    تجهیزات آزمایشگاهی لوله ورتکس

تجهیزات آزمایشگاهی برای استفاده در آزمایشگاه ترمودینامیک و مکانیک سیالات به صورت آزمایشگاهی موجود است که توسط شرکت P.A.Hilton Ltd واقع در بریتانیا تولید می‌شود، که یک نمونه از آن در شکل (1-7) مشاهده می‌شود.

شکل ‏1‑7: تجهیزات آزمایشگاهی لوله ورتکس ساخت P.A.Hilton Ltd [4]

 

 

1-2-4-    تهویه مطبوع شخصی

 

 

 

 

مراجع

[1]       C. Fulton, “Ranque’s tube,” J Refrig Eng, vol. 5, pp. 473-479, 1950.

[2]       C. Gao, “Experimental Study on the Ranque-Hilsch Vortex Tube,” Technische Universiteit Eindhoven, 2005.

[3]       Exair, “Vortex Tubes and Spot Cooling Products,” www.Exair.com.

[4]       P. A. H. Ltd., “Refrigeration,” www.p-a-hilton.co.uk.

[5]       I. A. Managment, “Vortec Air Guns,” www.vortc.com.

[6]       B. Ahlborn and S. Groves, “Secondary flow in a vortex tube,” Fluid Dynamics Research, vol. 21, p. 73, 1997.

[7]       B. Ahlborn, J. Keller, and E. Rebhan, “The heat pump in a vortex tube,” Journal of Non-Equilibrium Thermodynamics, vol. 23, pp. 159-165, 1998.

[8]       B. K. Ahlborn and J. M. Gordon, “The vortex tube as a classic thermodynamic refrigeration cycle,” Journal of Applied Physics, vol. 88, pp. 3645-3653, 2000.

[9]       C. Gao, K. J. Bosschaart, J. Zeegers, and A. De Waele, “Experimental study on a simple Ranque–Hilsch vortex tube,” Cryogenics, vol. 45, pp. 173-183, 2005.

[10]     P. P. S. A.T.A.M de Waele, and J.Gijzen, “Thermodynamical aspects of pulse tubes,” Cryogenics, vol. 37, pp. 313-324, 1997.

[11]     T. T. Cockeril, “Fluid Mechnics and Thermodynamics of a Ranque-Hilsch,” MSc, University of Cambridge, 1995.

[12]     C. U. Linderstrom-Lang, “on Gas separation in Ranque-Hilsch vortex tubes,” Z.Naturforschg, vol. 22, pp. 835- 837, April 1967.

[13]     J.Marshall., “Effect of operating conditions, physical size and fluid characteristics on the gas separation performance of a Linderstrom-Lang vortex tube,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 20, pp. 227-231, 1977.

[14]     H. Takahama, H. Kawamura, S. Kato, and H. Yokosawa, “Performance characteristics of energy separation in a steam-operated vortex tube,” International Journal of Engineering Science, vol. 17, pp. 735-744, 1979.

[15]     R. L. Collins and R. B. lovelace, “Experimental study of two-phase propane expanded through the Ranque -Hilsch tube,” Trans. ASME, J.Heat Transfer, vol. 101, pp. 300-305, may 1979.

[16]     R. T. Balmer, “Pressure -driven Ranque -Hilsch temperature separation in liquids,” Trans. ASME, J.Fluids Engineering, vol. 110, pp. 161-164, June 1988.

[17]     M. Saidi and M. Valipour, “Experimental modeling of vortex tube refrigerator,” Applied thermal engineering, vol. 23, pp. 1971-1980, 2003.

[18]     N. V. Poshernev I. L. Khodorkov, “Natural -gas tests on aconical vortex tube (CVT)wi th external cooling.,” Chemical and Petroleum Engineering, vol. 40, pp. 212-217, 2004.

[19]     K. Polat and V. Kırmacı, “Determining of gas type in counter flow vortex tube using pairwise fisher score attribute reduction method,” International Journal of Refrigeration, vol. 34, pp. 1372-1386, 2011.

[20]     G. J. Ranque, “METHOD AND APPARATUS FOR OBTAINING,” ed: Google Patents, 1934.

[21]     R. Hilsch, “The use of the expansion of gases in a centrifugal field as cooling process,” Review of Scientific Instruments, vol. 18, pp. 108-113, 2004.

[22]     H. Takahama and H. Yokosawa, “Energy separation in vortex tubes with a divergent chamber,” Journal of Heat Transfer, vol. 103, pp. 196-203, 1981.

[23]     A. Gulyaev, “Investigation of conical vortex tubes,” Journal of Engineering Physics and Thermophysics, vol. 10, pp. 193-195, 1966.

[24]     S. A. Piralishvili and V. Polyaev, “Flow and thermodynamic characteristics of energy separation in a double-circuit vortex tube—an experimental investigation,” Experimental thermal and fluid science, vol. 12, pp. 399-410, 1996.

[25]     R. W. James.and S. A. Marshall, “Vortex tube refrigeration,” Refrigeration and air conditioning, pp. 69-88, 1972.

[26]     M. Kurosaka, “Acoustic streaming in swirling flow and the Ranque—Hilsch (vortex-tube) effect,” Journal of Fluid Mechanics, vol. 124, pp. 139-172, 1982.

[27]     D. Guillaume and J. Jolly III, “Demonstrating the achievement of lower temperatures with two-stage vortex tubes,” Review of Scientific Instruments, vol. 72, pp. 3446-3448, 2001.

[28]     K. Dincer, S. Baskaya, B. Uysal, and I. Ucgul, “Experimental investigation of the performance of a Ranque–Hilsch vortex tube with regard to a plug located at the hot outlet,” International journal of refrigeration, vol. 32, pp. 87-94, 2009.

[29]     O. Aydın, B. Markal, and M. Avcı, “A new vortex generator geometry for a counter-flow Ranque–Hilsch vortex tube,” Applied Thermal Engineering, vol. 30, pp. 2505-2511, 2010.

[30]     Y. Xue, M. Arjomandi, and R. Kelso, “Experimental study of the flow structure in a counter flow Ranque–Hilsch vortex tube,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 55, pp. 5853-5860, 2012.

[31]     R. M. Jr, “Fluid action in the vortex tube,” ASRE Refrigeratin Engineering, vol. 58, pp. 974-975, 1950.

[32]     J.E.Lay, ” An experimental and analytical study of vortex -flow temperature separation by

superposition of spiral and axial flow, par t I I,” Tra ns . ASME J. Heat Transfer, vol. 81, pp. 213-222, 1959.

[33]     M. Sibulkin, “Unsteady, viscous, circular flow part 3. application to the Ranque-Hilsch vortex tube,” Journal of Fluid Mechanics, vol. 12, pp. 269-293, 1962.

[34]     J. Smith, “An experimental study of the vortex in the cyclone separator,” Journal of Basic Engineering, vol. 84, pp. 602-608, 1962.

[35]     H. Bruun, “Experimental investigation of the energy separation in vortex tubes,” Journal of Mechanical Engineering Science, vol. 11, pp. 567-582, 1969.

[36]     A. Gutsol, “The ranque effect,” Physics-Uspekhi, vol. 40, pp. 639-658, 1997.

[37]     A. Leont’ev, “Gas-dynamic methods of temperature stratification (a review),” Fluid dynamics, vol. 37, pp. 512-529, 2002.

[38]     J. Lewins and A. Bejan, “Vortex tube optimization theory,” Energy, vol. 24, pp. 931-943, 1999.

[39]     W. Fröhlingsdorf and H. Unger, “Numerical investigations of the compressible flow and the energy separation in the Ranque–Hilsch vortex tube,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 42, pp. 415-422, 1999.

[40]     R. Deissler and M. Perlmutter, “Analysis of the flow and energy separation in a turbulent vortex,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 1, pp. 173-191, 1960.

[41]     J. Hartnett and E. Eckert, “Experimental study of the velocity and temperature distribution in a high-velocity vortex-type flow,” Trans. ASME, vol. 79, pp. 751-758, 1957.

[42]     J. Camire, “Experimental investigation of vortex tube concepts,” University of British Columbia, 1995.

[43]     P. Promvonge and S. Eiamsa-ard, “Investigation on the vortex thermal separation in a vortex tube refrigerator,” Science Asia, vol. 31, pp. 215-223, 2005.

[44]     N. Aljuwayhel, G. Nellis, and S. Klein, “Parametric and internal study of the vortex tube using a CFD model,” International Journal of Refrigeration, vol. 28, pp. 442-450, 2005.

[45]     U. Behera, P. Paul, S. Kasthurirengan, R. Karunanithi, S. Ram, K. Dinesh, et al., “CFD analysis and experimental investigations towards optimizing the parameters of Ranque–Hilsch vortex tube,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 48, pp. 1961-1973, 2005.

[46]     H. Skye, G. Nellis, and S. Klein, “Comparison of CFD analysis to empirical data in a commercial vortex tube,” International Journal of Refrigeration, vol. 29, pp. 71-80, 2006.

[47]     Stirling A. Colgate and J. R. Buchler, “Coherent Transport of Angular Momentum-The Ranque-Hilsch Tube as a Paradigm,” arXiv preprint astro-ph/9909022, 1999.

[48]     T. Dutta, K. Sinhamahapatra, and S. Bandyopdhyay, “Comparison of different turbulence models in predicting the temperature separation in a Ranque–Hilsch vortex tube,” International journal of refrigeration, vol. 33, pp. 783-792, 2010.

[49]     S. E. Rafiee and M. Rahimi, “Experimental study and three-dimensional (3D) computational fluid dynamics (CFD) analysis on the effect of the convergence ratio, pressure inlet and number of nozzle intake on vortex tube performance–Validation and CFD optimization,” Energy, vol. 63, pp. 195-204, 2013.

[50]     S. E. Rafiee and M. Sadeghiazad, “Three-dimensional and experimental investigation on the effect of cone length of throttle valve on thermal performance of a vortex tube using< i> k</i>–< i> ɛ</i> turbulence model,” Applied Thermal Engineering, vol. 66, pp. 65-74, 2014.

[51]     H. Versteeg and W. Malalasekera, “An introduction to computational fluid dynamics,” Finite Volume Method, Essex, Longman Scientific & Technical, 1995.

[52]     ANSYS CFX14.5-Solver, “Release 14.5: Theory,” ANSYS CFX 14.5 Support

Documentation, vol. ANSYS Inc, 2012.

[53]      رضایی­بخش،م, “دانشجوی کارشناسی ارشد دانشکده مکانیک دانشگاه صنعتی اصفهان,” ورودی 1388.

[54]     J. D. Anderson, ” Computational Fluid Dynamics: The Basics with Applications,” McGraw-Hill, Ed., ed, 1995.

Experimental Investigation and Numerical Simulation of Flow in the Vortex Tube

 

Jaber Sadeghi Seraji

j.sadeghi@me.iut.ac.ir

Date of Submission: 9/14/2014

Department of Mechanical Engineering

Isfahan University of Technology, Isfahan 84156-83111, Iran

Degree: M.Sc                                                                                        Language: Farsi

Supervisor: Mohsen Davazdah Emami, mohsen@cc.iut.ac.ir

Abstract

Ranque-Hilsch vortex tube is a simple mechanical device that has no moving components and is used as part of the equipment in the refrigeration system, where a high pressure fluid is entered the vortex tube through the entrance nozzles and splits into two flows with lower and higher temperature compared to inlet temperature, and in this way temperatures up to -40 °C are achievable. Vortex tube has broad applications as spot cooling and spot heating in the industry such as cool plastic injection moulds, dehumidify gas operations, cool heat seal operations, cooling of control cabinet electrical enclosures, cooling of camera lenses, setting solders and adhesives, and dry ink on labels and bottles. Although many experimental studies have been done on the performance of vortex tube, the physics of the flow and mechanism of temperature separation phenomenon of gas or vapor passing through the vortex tube are not well understood because of complexity of the flow and incompatibility of experimental results. The first goal of this thesis is to record cold and hot temperatures, triggered by temperature separation phenomenon, versus cold fraction experimental investigation of one type of vortex tube-experimental equipment R433 made by P.A.Hilton company in England. Experimental results include cold and hot exit static temperatures diagrams based on cold fraction and cold exit pressure diagram versus cold fraction using cold and hot exit static temperatures. Heat pump and cooler coefficient of performance diagrams of vortex tube, and also isentropic efficiency are presented according to available equations. Uncertainty of experimental results is calculated using experimental Holman relation and is illustrated as error bars in the former diagrams Then using computational fluid dynamics approaches available in ANSYS CFX 14.5 software, numerical simulation of steady, compressible, and three dimensional flow in the vortex tube has been done by utilizing computational, structural and hexahedral grid. Appropriate boundary conditions are applied in the numerical simulation corresponding to the experimental conditions, with the exception of hot exit which has been set such that the operation of flow-control valve could be assimilated. Several turbulence models such as the standard model, , and  have been used. Finally hot and cold exit static temperatures, heat pump and cooler coefficient of performance, and isentropic efficiency diagrams derived from numerical simulation have been compared to the ones based on experimental results.  In addition, results of numerical simulation are presented as contours of static temperature, stagnation temperature, density, mach number, velocity distributions and stream lines focused on position of stagnation point and the zone which secondary flow forms.

Key words

Vortex Tube, Experimental Investigation, Computational Fluid Dynamics, Temperature Separation, Cold Fraction, Standard  ,  ,  Model

Isfahan University of Technology

Department of Mechanical Engineering

Experimental investigation and numerical simlation of flow in the vortex tube

 

A Thesis

Submitted in partial fulfillment of the requirements

For the degree of Master of Science

By

Jaber Sadeghi Seraji

 

Evaluated and Approved by the Thesis Committee, on 9/14/2014

1- M.Davazdah Emami, Assoc. Prof. (Supervisor)

2- M.Nili Ahmadabadi, Assist. Prof. (Advisor)

3- A.Sohankar Esfahani, Assoc. Prof. (Examiner)

5- M.Saghafian, Assist. Prof. (Examiner)

[1] Vortex Tube

[2] Georges Joseph Ranque

[3] Rudolf Hilsch

[4] Vortex Chamber

[5] Cold End Orifice

[6] Hot End Control Valve

دیدگاهها

هیچ دیدگاهی برای این محصول نوشته نشده است.

اولین نفری باشید که دیدگاهی را ارسال می کنید برای “بررسی تجربی و شبیه¬سازی عددی جریان در لوله ورتکس”

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

+ 82 = 86