17662

17662

تحليل انتقال حرارت آشفته ي تركيبي (جابجايي مختلط - تشعشع گرمايي) با خواص متغير در كانال ها با استفاده از رهيافت شبيه سازي گردابه هاي بزرگ

دكتري

تبديل انرژي

خرداد 1396

دكتر فرزاد بازديدي طهراني

مكانيك

هدف از رساله حاضر، بررسي و تحليل تأثيرات متقابل آشفتگي و تشعشع گرمايي مرتبط با انتقال حرارت تركيبي (جابجايي مختلط و تشعشع گرمايي) در كانال ها است. جريان به صورت كاملاً توسعه يافته در طول كانال و خواص ترموفيزيكي سيال متغير با دما است. بسياري از كاربردهاي صنعتي با جريان و انتقال حرارت در دماي بالا و همچنين وجود اختلاف دما در كانال ها مواجه است. از آنجا كه به دليل دماي بالا و وجود اختلاف دماي قابل ملاحظه، انتقال حرارت جابجايي آزاد، تشعشع گرمايي و تغيير خواص ترموفيزيكي با دما اهميت مي يابند و صرف نظر كردن از هر يك از آن ها در شبيه سازي و پيش بيني مقدار انتقال حرارت خطا ايجاد مي كند، بنابراين مناسب است تا به طور همزمان تاثير وجود همه ي پارامترهاي مذكور را مورد بررسي و تحليل قرار داد. در اكثر تحقيقات انجام شده، يا خواص ترموفيزيكي با دما ثابت در نظر گرفته شده است و يا اينكه تشعشع گرمايي در نظر گرفته نشده است. كانال مورد بررسي به صورت افقي و قائم با دماي ديواره هاي متفاوت گرم و سرد مي‌باشد. رهيافت شبيه‌سازي گردابه هاي بزرگ و روش عدد ماخ كوچك براي حل معادلات استفاده شده است. همچنين، معادلات تشعشع گرمايي توسط روش P1 حل شده است. شبيه سازي با استفاده از حل گر توسعه يافته bouyantTPimpleFoam در كد منبع باز OPENFOAM انجام شده است. تمركز رساله حاضر بر اين است كه آيا صرف نظر كردن از بر هم كنش آشفتگي و تشعشع گرمايي فرض صحيحي براي جريان تحت بررسي مي باشد؟ در ابتدا، براي تحليل تاثير متقابل آشفتگي و تشعشع گرمايي، صحت تقريب بوسينسك در شرايط جرياني حاكم، بدون اعمال تشعشع گرمايي بررسي شده است. نتايج نشان مي دهد كه افزايش اختلاف دماي ديواره ها، با اعمال تقريب بوسينسك و خواص ترموفيزيكي ثابت با دما، منجر به خطاي زيادي مي شود. خطاي تقريبي 33% و 45% به ترتيب در پيش بيني ضريب اصطكاك و عدد ناسلت بدست آمده است. همچنين مقدار دماي سيال در راستاي ارتفاع كانال در هر دو كانال عمودي و افقي در حالت غير بوسينسك بيشتر از حالت بوسينسك مي باشد. در كانال افقي نيز، افزايش اختلاف دماي ديواره ها و دوري از شرايط بوسينسك سبب مي گردد تا سرعت و دماي سيال نامتقارن گردد. در نهايت، بعد از بررسي صحت تقريب بوسينسك، با اعمال تشعشع گرمايي نتايج نشان مي دهد كه ماكزيمم مقادير بر هم كنش آشفتگي و تشعشع گرمايي صدور و جذب به ترتيب، 2% و 3% مي باشد. بنابراين، مقادير بر هم كنش آشفتگي و تشعشع گرمايي در جريان غير واكنشي حتي با وجود خواص ترموفيزيكي متغير با دما و شرايط غير بوسينسك ناچيز است. همچنين افزايش ضخامت نوري سبب مي گردد تا آشفتگي در جريان هر دو كانال عمودي و افقي كاهش يابد.

1396/04/26

1/1/1900 12:00:00 AM

The aim of present work is to examine the effects of interaction between turbu-lence and thermal radiation in the presence of combined mixed convection–radiation heat transfer in channels. The flow is fully developed in the channel length and ther-mo-physical properties of fluid are variable with temperature. Many industrial appli-cations are facing with flow and heat transfer at high temperature and also in the presence of temperature difference in channels. Due to existing high temperature and considerable temperature differences, natural convection, thermal radiation and vari-able thermo-physical properties become important. Ignoring any of the mentioned phenomena can lead to errors in the simulation of heat transfer. Therefore, effects of all of these phenomena should simultaneously be investigated. In many of the previ-ous studies, thermo-physical properties are kept constant or thermal radiation is not considered. The vertical and horizontal channels under study are formed by differentially heated flat parallel plates. Large eddy simulation and the low Mach number approach are employed to solve the governing equations. Also, the radiative transfer equation is solved using the method. The simulations have been performed using the cur-rently developed buoyantPimpleFoam solver in OpenFOAM. The main focus is to find out whether neglecting turbulence-radiation interaction (TRI) is a valid assumption for such flows under consideration. At first, attention is paid to the validity of the Boussinesq approximation without radiation when the temperature differences are enhanced. Results display that an increase in the walls’ temperature difference, applying the Boussinesq approximation and neglecting the dependence of thermal conductivity and dynamic viscosity on temperature, can result in relatively large errors. Deviations of up to 33% and 45% in the prediction of fric-tion coefficient and Nusselt number, respectively, are shown. Also, in the non-Boussinesq conditions, the overall fluid temperature across the channel height in both channel configurations is more than those of the Boussinesq conditions. In the hori-zontal channel case, larger departures from the Boussinesq conditions result in more asymmetric velocity and temperature profiles. Finally, the present results of turbulence-radiation interaction show that, in both configurations, the maximum values of emission TRI and incident TRI are 2% and 3%, respectively. Therefore, neglecting TRI in the non-reactive flows has almost no effect on the heat transfer flows, even with the existence of variable properties and non-Boussinesq conditions. Also, the turbulence is damped through the entire do-main of both horizontal and vertical channels by increasing the optical thickness.