دانلود متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته مکانیک 

تمایل : تبدیل انرژی

عنوان : بررسی تجربی و مثل ­سازی عددی جریان در لوله ورتکس

دانشگاه صنعتی اصفهان

دانشکده مهندسی مکانیک

بررسی تجربی و مثل ­سازی عددی جریان در لوله ورتکس

پایان­ نامه کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک- تبدیل انرژی

استاد راهنما:

دکتر محسن دوازده­امامی

واسه رعایت تکهایی از متن پایان نامه مثلا :

(ممکنه هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزه یا بعضی نمادها و اشکال درج نشه ولی در فایل دانلودی همه چیز منظم و کامله)

فهرست مطالب

عنوان صفحه
فهرست مطالب

هشت

فهرست شکل ها دوازده

فهرست جدول ها هفده

فهرست علائم اختصاری

هیجده

علائم یونانی

بیست

پانویسا بیست­و­یک

چکیده 1

فصل اول : مقدمه

1-1-مقدمه ای بر لوله ورتکس    2

1-2-بعضی از کاربردهای لوله ورتکس    3

1-2-1-کاربردهای خنک ساز موضعی

4

1-2-2-کاربردهای گرما ساز موضعی

5

1-2-3-لوازم آزمایشگاهی لوله ورتکس

6

1-2-4-تهویه مطبوع شخصی

6

1-3-نظریه های عادی در مورد لوله ورتکس    7

1-4-بررسی نظری لوله ورتکس    7

1-4-1-بررسی ترمودینامیکی سیستم لوله ورتکس

7

1-4-1-1-قانون باقی موندن جرم
8

1-4-1-2-قانون اول ترمودینامیک

8

1-4-1-3-قانون دوم ترمودینامیک

9

1-4-2-بهره وری های سیستم لوله ورتکس[2] 12

1-4-2-1-بهره وری های گرمایی واسه سیستم لوله ورتکس

12

1-4-2-2-بهره وری واسه یک باز شدن ایزنتروپیک کامل
13

1-4-2-3-بهره وری کارنو
13

هشت

1-4-2-4-معیاری بر مبنای سیکل کارنو
14

1-5-تحقیق جلو   14

فصل دوم : ادبیات تحقیق

2-1-مقدمه
15

2-2-تحقیقات تجربی   16

2-2-1-روون عامل
16

2-2-2-هندسه
16

2-2-3-میدون جریان داخلی

20

2-2-3-1-آشکارسازی جریان
20

2-2-3-2-پخش های سرعت در داخل لوله ورتکس

21

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

2-3-پیشرفت تئوری   25

2-3-1-انتقال گرما اصطکاکی

25

2-4-مدل جریان صوتی در لوله ورتکس    27

2-5-تحقیقات 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 : یافته های

4-1-مقدمه
44

4-2-بررسی تجربی   44

4-2-1-یافته های بررسی تجربی

47

4-2-2-اندازه گیری خطا 48

نه

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(بی نظم) 48

4-2-4-خطای مطلق
48

4-2-4-1-نبود قطعیت و بررسی خطا 48

4-3-مثل سازی دینامیک سیالات محاسباتی

53

4-3-1-روش بکار گرفته شده 53

4-3-2-استفاده از یافته های تجربی

54

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

54

4-3-4-شرایط مرزی

59

4-3-4-1-ورودی نازل ها 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-برابری شبکه
62

4-3-7-یافته های کارکرد مدلای توربولانسی

63

4-3-7-1-کانتورهای دما 66

4-3-7-2-توزیعای سرعت مماسی  ،و اساسی

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 مثل سازی

79

4-3-9-نمودار باقیمونده 80

4-3-10-کارکرد شبکه با ساختار بی نظم
82

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادها

5-1-نتیجه گیری   85

5-2-پیشنهادها 86

پیوست

88

ده

گسسته سازی معادلات CFD حاکم
88

راه و روش حل در نرم افزار Ansys CFX 14
5
91

مراحل برابری شبکه[52] 92

روش شناسی CFD

94

ایجاد هندسه و شبکه
94

تعریف فیزیک مدل
94

حل مسئله
94

باقیمونده ها 95

نمایش یافته های پشت پردازنده 95

مراجع

96

چکیده

لوله ورتکس یک وسیله ساده مکانیکیه که بدون قسمت های متحرک بوده و یکی از لوازم مورد استفاده در سیستم تبرید می باشه، که در اون یک روون پرفشار از راه نازل های ورودی وارد لوله ورتکس شده و به دو جریان با دمای کمتر، و بیشتر از دمای ورودی منشعب می شه بدین صورت می توان دماهای تا 40- درجه سانتی گراد رو درست کرد
لوله ورتکس به عنوان خنک­ساز موضعی و گرماساز موضعی، دارای کاربرد بزرگی در صنعت می­باشه که از آن جمله می­توان به مواردی چون: خنک کردن قالب های تزریق پلاستیک، عملیات رطوبت­زدایی گاز، عملیات آب­بندی گرمایی، خنک کردن کابین کنترل محفظه­های الکتریکی خنک­سازی لنزهای دوربین عکاسی، تنظیمات چسب­ها و لحیم­ها و خشک کردن جوهر روی برچسب­ها و بطری­ها اشاره کرد
با اینکه با وجود اینکه تا الان تحقیقات تجربی زیادی روی کارکرد لوله ورتکس صورت گرفته اما بازم فهم فیزیکی جریان و ساختار پدیده جدایش دمای گاز یا بخار عبوری از آن به دلیل پیچیدگی جریان و اختلاف یافته های تجربی به طور کامل برداشت نشده
در این پایان نامه با هدف ثبت دماهای سرد و گرم به دلیل پدیده جدایش دما طبق کسر سرد اول به بررسی تجربی کارکرد یک نمونه از لوازم آزمایشگاهی لوله ورتکس با مدل 433R ساخت شرکت P
A
Hilton واقع در بریتانیا پرداخته شده
یافته های بررسی تجربی شامل نمودارهای دمای استاتیک خروجی سرد و گرم برحسب کسر سرد و هم اینکه نمودار فشار خروجی سرد برحسب کسر سرد می­باشه
با استفاده از دمای استاتیک خروجی سرد و گرم نمودارهای ضرسب کارکرد گرماساز و سرماساز لوله ورتکس و هم اینکه بهره وری آیزنتروپیک هم با در نظر گرفتن روابط موجود ارائه شده
نبود قطعیت یافته های بررسی تجربی هم با استفاده از رابطه تجربی هولمن محاسبه شده و به شکل میله خطا روی نمودارها رسم شده
در ادامه با استفاده از روشای دینامیک سیالات محاسباتی موجود در نرم افزار ANSYS CFX14
5، مثل سازی عددی جریان حالت دائم،تراکم پذیر و سه بعدی با ایجاد شبکه محاسباتی دارای ساختار منظم و شش­وجهی، برروی هندسه لوله ورتکس اشاره شده و با استفاده از مدلای مغشوشی چون  استاندارد  و  انجام شده
جدا از اینکه اینکه شرط مرزی ورودی و خروجی سرد اعمال شده، منطبق بر شرایط آزمایشگاهیه در حالی­که در خروجی گرم از شرط مرزی مصنوعی استفاده شده
مطالعه استقلال از شبکه هم با دقق شدن روی اختلاف دمای استاتیک خروجی گرم و سرد لوله ورتکس به انجام رسیده
توضیح و چگونگی انجام پدیده جدایش دما و الگوی جریان به عنوان هدف مثل سازی انجام شده در این پایان نامه مطرح نیست
در آخر نمودارهای دمای استاتیک خروجی سرد و گرم، ضریب کارکرد و بهره وری آیزنتروپیک به دلیل یافته های مثل سازی عددی با یافته های بررسی تجربی مقایسه شده
جدا از اینکه اینکه یافته های مثل­سازی عددی به شکل کانتورهای دمای استاتیک، دمای سکون، چگالی عدد ماخ پخش­های سرعت و هم اینکه نمایش خطوط جریان با دقق شدن روی موقعیت نقطه سکون و ناحیه شکل­گیری جریان ثانویه هم ارائه شده

  فصل اول
: مقدمه

1-1-     مقدمه ای بر لوله ورتکس

لوله ورتکس[1] که بعضی وقتاً با نام هایی چون لوله ورتکس رنک–هیلش یا لوله رنک-هیلش شناخته می شه اختراع مبتکرانه ایست که ایده اون به وسیله دو دانشمند فرانسوی و آلمانی به نام های جورجس جوزف رنک[2] و ردلف هیلش[3] به طور جداگونه در بین سال های جنگ جهانی دوم در اروپا مطرح شد[1]

لوله ورتکس یک وسیله ساده مکانیکیه که بدون قسمت های متحرک بوده و یکی از لوازم مورد استفاده در سیستم تبرید می باشه، که در اون یک روون پرفشار از راه نازل های ورودی وارد لوله ورتکس شده و به دو جریان با دمای کمتر، و بیشتر از دمای ورودی منشعب می شه، (بدون هیچ گونه عکس العمل شیمیایی یا دخالت منبع خارجی انرژی ) بدین صورت می توان دماهای تا 40- درجه سانتی گراد رو درست کرد
لوله ورتکس شامل بخش هایی مثل یک یا چند نازل ورودی یک محفظه ورتکس[4] یک اوریفیس در انتهای سرد[5] شیر کنترل در انتهای گرم[6] و یک لوله می باشه (شکل1-1)
وقتی روون پرفشار بصورت مماس به وسیله نازل های ورودی به محفظه ورتکس تزریق می شه، یک جریان چرخشی در محفظه ورتکس ایجاد می شه
وقتی چرخش جریان روون به طرف مرکز محفظه ورتکس ادامه پیدا می کنه، روون منبسط و سرد می شه
در محفظه ورتکس بخشی از روون به طرف خروجی گرم می چرخد و بخش دیگه روون مستقیماً در خروجی سرد هست
بخشی از گاز موجود در لوله ورتکس به خاطر مؤلفه اساسی سرعت بر می شه و از انتهای گرم به انتهای سرد حرکت می کنه
در خروجی گرم روون با دمای بیشتری خارج می شه درحالی که در خروجی سرد، روون دمای کمتری در مقایسه با دمای ورودی داره[2]
لوله ورتکس در مقایسه با دیگه وسایل موجود در سیکل تبرید فایده هایی داره مثل: سادگی، از دست دادن اجزای متحرک، نبود حضور جریان الکتریسیته، نبود انجام هیچ گونه عکس العمل شیمیایی، نگهداری آسون، جفت و جور فوری هوای سرد، پایداری کارکرد (به خاطر استفاده از فولاد ضد زنگ و محیط کار تمیز) و تنظیم دما
هم اینکه وابستگی به گاز فشرده و بازده گرمایی پایین ممکنه بعضی از کاربردهای اون رو محدود کنه

–     بعضی از کاربردهای لوله ورتکس

با اینکه با وجود اینکه تا کنون اثبات قاطعانه ای در مورد حالت انتقال گرما در داخل لوله ورتکس صورت نگرفته و علیرغم درک ناقص این پدیده،اخیراً لوله ورتکس، با کاربرد خنک سازه های موضعی در اندازه های کوچیک و بصورت تجاری پیشرفت زیادی یافته ان
این روزا تعداد قابل توجهی از شرکت های تولیدکننده وجود دارن که از تئوری لوله ورتکس بصورت کاربردی و موثر به عنوان یک راه حل در کاربردهای صنعتی بهره می گیرند
مثل این شرکت ها می توان به Exair و ITW Vortec اشاره کرد که هر دو در ایالات متحده مشغول به فعالیت می باشن
این شرکت ها اجناس خود رو طبق محدوده مختلفی از کاربردها و طبق کیفیت های زیر از فن آوری لوله ورتکس عرضه می کنن:

  • سرمایش پاک
  • نگهداری آسون –از دست دادن اجزای متحرک
  • دمای پایدار خروجی
  • سرمایش، بدون احتیاج به الکتریسیته و مبرد
  • قابل اطمینان، فشرده و سبک وزن
  • قیمت ارزون

با وجود اینکه موارد زیادی واسه کاربردهای لوله ورتکس، به عنوان خنک ساز و گرماساز موضعی وجود دارن (که در ادامه تشریح می شه) اما بازم هم می توان ایده های مبتکرانه ای در مورد کاربردهای لوله ورتکس ارائه داد
در شکل (1-2) یک نمونه از مدل تجاری لوله ورتکس ساخت شرکت Exair نشون داده شده

1-2-1-    کاربردهای خنک ساز موضعی

لوله های ورتکس دارای محدوده بزرگی از کاربردهای خنک ساز موضعی در خطوط تولید ماشین آلات و فرآیندها می باشن
یک نمونه از آن تفنگ هوای سرد با پایه مغناطیسی می باشه که به عنوان جانشین ماده خنک کننده در فرایندهای ماشین کاری مورد استفاده قرار می گیرد و در شکل (1-3) نشون داده شده

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

یه سری های دیگه از کاربردهای خنک ساز موضعی شامل موارد زیر می شه:

  • خنک کردن قالب های تزریق پلاستیک
  • عملیات رطوبت زدایی گاز
  • عملیات آب بندی گرمایی
  • خنک کردن کابین کنترل محفظه های الکتریکی، که در شکل های (1-4) و (1-5) توضیح داده شده
  • خنک سازی لنزهای دوربین های عکاسی که در شکل (1-6) نشون داده شده

1-2-2-    کاربردهای گرما ساز موضعی

با استفاده از هوای گرم خروجی، بعضی از کاربردهای گرمایش موضعی شامل موارد زیر می شه:

  • تنظیمات چسب ها و لحیم ها
  • خشک کردن جوهر روی برچسب ها و بطری ها

1-2-3-    لوازم آزمایشگاهی لوله ورتکس

لوازم آزمایشگاهی واسه استفاده در آزمایشگاه ترمودینامیک و مکانیک سیالات به شکل آزمایشگاهی هست که به وسیله شرکت P
A
Hilton Ltd واقع در بریتانیا تولید می شه، که یک نمونه از آن در شکل (1-7) مشاهده می شه

1-2-4-    تهویه مطبوع شخصی

لوله های ورتکس می تونن به شکل جلیقه هوا، همونجوریکه به وسیله شرکت ITW Vortec به فروش می رسند، به خاطر پخش هوای سرد یا گرم در قسمت بالاتنه بدن، مورد استفاده گیرند، که در شکل (1-8) نشون داده شده

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

1-3-     نظریه های عادی در مورد لوله ورتکس

قدیمی ترین نظریه استفاده شده در مورد لوله ورتکس اولین بار به وسیله هیلش پیشنهاد شد
او پیشنهاد کرد که گرادیان های سرعت زاویه ای طبق شعاعی باعث ایجاد گشتاور اصطکاکی بین لایه های جور واجور جریان در حال چرخش می شن، که پس شاهد انتقال انرژی به وسیله کار برشی، از لایه های داخلی به طرف لایه های خارجی هستیم
هر چند این نظریه به شکل کامل حالت انتقال گرما در داخل لوله رو توضیح نمی کنه

به خاطر تکمیل این نظریه، یک فرضیه از طرف آلبرن و همکاران [6-8] مطرح شد که نشون دهنده وجود یک میدون جریان ثانویه می باشه که در انتقال انرژی در داخل لوله ورتکس نقش داره که در ادامه به شکل جداگونه در مورد اون بحث می شه
این فرضیه بیان می کنه که یک میدون جریان روون ابتدایی، شامل گردابهای داخلی و خارجی هست که طول لوله رو پوشش می بده، از طرف دیگه یک حلقه جریان ثانویه هم هست که گرما رو بین این دو جریان گردابی انتقال می بده که به شکل مبرد در یک سیکل ترمودینامیکی باز عمل می کنه
که در ادامه به ذکر جزئیات اون پرداخته می شه
این نظریه هم اینکه به وسیله گائو و همکاران [9] هم حمایت شد که طبق مشاهدات تجربی مطالعاتی در این مورد به انجام رسانده بودن

1-4-     بررسی نظری لوله ورتکس

از سال 1930 تا کنون که ساختار جدایش انرژی در لوله ورتکس موجب سردرگمی محققان شده بود بازم، نظریه روشنی که بتونه به طور کامل به تشریح این پدیده بده، وجود نداشته، در این بخش قوانین ترمودینامیکی در مورد سیستم لوله ورتکس بکار گرفته می شن و روابط بین خواص گاز ورودی و خروجی از سیستم ارائه می شن
هم اینکه بهره وری های مربوط به سیستم لوله ورتکس هم تعریف و بررسی می شن

1-4-1-    بررسی ترمودینامیکی سیستم لوله ورتکس

در اول زمانی که تکنولوژی لوله ورتکس معرفی شد به نظر می رسید سرپیچی از قوانین ترمودینامیک صورت گرفته
از آنجایی که در هر مراحل تبرید کار ورودی چیزی لازم به حساب می آید، به نظر می رسید یک شار گرمایی داخلی،بدون انجام هیچ گونه کار ورودی در لوله ورتکس هست که واسه رد این ادعا نزدیک به حدود یک قرن تلاش واسه درک کامل عملیات درون لوله ورتکس صورت گرفته

با در نظر گرفتن حجم کنترل نشون داده شده در شکل (1-9) به خاطر بررسی ترمودینامیکی سیستم لوله ورتکس، خواص گاز در دیواره ها ، ورودی و خروجی مورد توجه می باشن و هم اینکه جزئیات مربوط به فرایندهای داخلی دید نمی شن
در این سیستم سه مرز باز با نام های in،c و h وجود دارن که به ترتیب نشون دهنده ورودی خروجی سرد و خروجی گرم می باشن و خواص گاز در این مرزها مشخص شده

 شکل ‏1‑9: حجم کنترل بصورت خطوط پر رنگ نشون داده شده در شکل می باشه

1-4-1-1- قانون باقی موندن جرم

با اعمال فرضیاتی مثل جریان حالت پایا،تغییرات ناچیز انرژی پتانسیل در ورودی و خروجی و نبود تبادل هرگونه کار و گرما خارجی به سیستم معادلات باقی موندن جرم، قوانین اول و دوم ترمودینامیک واسه حجم کنترل نشون داده شده در شکل بالا بصورت زیر نوشته می شه:

(1-1)  

با معرفی نسبتی با عنوان “کسر سرد[7]” که معیاری واسه اندازه دبی جریان های سرد و گرم خروجی در قیاس با جریان گاز ورودی می باشه، بصورت زیر:

(1-2)  

رابطه (1-1) بصورت زیر خلاصه می شه:

(1-3)  

1-4-1-2- قانون اول ترمودینامیک

با اعمال قانون اول واسه مرزهای سیستم لوله ورتکس بصورت نشون داده شده در شکل (1-7) رابطه قانون اول رو به فرم زیر داریم:

(1-5)  

 با در نظر گرفتن فرضیات ذکرشده در قسمت 1-4-1-1 و با در نظر گرفتن رابطه(1-2) و هم اینکه در نظر گرفتن ، داریم:

(1-6)

در آخر با در نظر گرفتن رابطه (1-7) بین دمای سکون و استاتیک و انجام مراحل ساده سازی رابطه (1-8) از قانون اول ترمودینامیک درآورده می شه:

(1-7)  
(1-8)  

که رابطه (1-8) بیان کننده رابطه بین دماهای ورودی و خروجی به عنوان تابعی از کسر سرد می باشه

با صرف نظر از سهم سرعت رابطه قانون اول (رابطه (1-6)) رو میشه به شکل زیر نوشت:

(1-9  

قانون دوم ترمودینامیک واسه حجم کنترل بصورت زیر نوشته می شه[2]:

 نشون دهنده میزان افزایش آنتروپی به دلیل فرایندهای برگشت ناپذیر می باشه که همیشه مقدار مثبتیه و  نشون دهنده دماییه که در اون جریان گرما ، از خارج وارد سیستم می شه
کلی فرایندهای برگشت ناپذیر در سیستم لوله ورتکس شامل موارد زیر می شه:

  • جریان گرما به دلیل اختلاف دما
  • جریان جرمی به دلیل اختلاف فشار
  • اتلاف لزجی

تعداد صفحه :124

قیمت : 14700 تومن

com/?checkout=3113″ method=”post” name=”frm_jahanpay3113″>

بی معطلی پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار میگیره

و در جدا از اینکه فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شه

پشتیبانی سایت :        ****       serderehi@gmail
com

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارین می تونین مبلغ مورد نظر واسه هر فایل رو کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز رو به ایمیل ما ارسال کنین تا فایل رو از راه ایمیل دریافت کنین

***  *** ***

متن کامل در سایت sabzfile.com