مطالعه‌ي عددي سه ‌بعدي انتقال حرارت جابجايي همزمان اجباري و آزاد، در يك كانال مورب به همراه چشمه‌هاي حرارتي

فهرست مطالب

فصل اول

1- مروری بر مفاهیم اولیه……………………………………………………………………………………………….2

1-1- مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………….2

1-2- جریان اطراف صفحات ضخیم………………………………………………………………………………..3

1-3- خنک سازی سیستم های الکترونیکی……………………………………………………………………5

1-4- تکنیک های خنک سازی……………………………………………………………………………………….6

1-5- همرفت اجباری، طبیعی و مرکب……………………………………………………………………………8

   1-5-1- همرفت اجباری داخلی بین صفحات موازی……………………………………………………8

   1-5-2- همرفت طبیعی……………………………………………………………………………………………….9

   1-5-3- همرفت مرکب……………………………………………………………………………….. …………….10

1-6- ضریب انتقال حرارت…………………………………………………………………………………………….11

فصل دوم

2- مروری بر تحقیقات گذشته………………………………………………………………………………………13

2-1- پژوهش های جریان همرفتی روی هندسه های متفاوت……………………………………..13

2-2- ویژگی های پژوهش حاضر…………………………………………………………………………………..30

فصل سوم

3- تعریف مسئله…………………………………………………………………………………………………………..32

3-1- شرح مسئله…………………………………………………………………………………………………………32

3-2- معادلات حاکم……………………………………………………………………………………………………..35

ه

3-3- شرایط مرزی……………………………………………………………………………………………………….36

فصل چهارم

4- روش حل مسئله………………………………………………………………………………………………………39

4-1- مقدمه………………………………………………………………………………………………………………….39

4-2- تنظیمات نرم افزار گمبیت…………………………………………………………………………………..39

4-3- بررسی استقلال نتایج از شبکه…………………………………………………………………………….41

4-4- تنظیمات نرم افزار فلوئنت…………………………………………………………………………………………………42

4-5- اعتبار سنجی نتایج………………………………………………………………………………………………..43

4-6 بررسی تغییرات زمانمند مسئله……………………………………………………………………………….46

4-7 بررسی اثرات تشعشع در مسئله مورد تحقیق…………………………………………………………47

فصل پنجم

5- نتایج……………………………………………………………………………………………………………………………49

5-1- مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………….49

5-2- خطوط دما ثابت و خطوط جریان…………………………………………………………………………49

5-3- نمودار عدد ناسلت بر حسب زاویه…………………………………………………………………………72

5-4- روابط تخمینی عدد ناسلت بر­حسب اعداد بی بعد در زوایای مختلف…………………..81

5-5- بررسی اثر پارامتر های هندسی نظیر طول مکعب ها و فاصله بین آنها……………….81

5-6- مجموعه بهینه از پارامتر­های مورد بررسی برای حداکثر کردن انتقال حرارت…….91

5-7- بررسی افت فشار……………………………………………………………………………………………………92

5-8- بررسی مسئله به صورت غیر دائمی………………………………………………………………………93

فصل ششم

6- نتیجه گیری و پیشنهادات……………………………………………………………………………………….100

6-1- نتیجه گیری………………………………………………………………………………………………………. 100

6-2-پیشنهادات……………………………………………………………………………………………………………101

منابع و مآخذ……………………………………………………………………………………………………………….. 102

و

فهرست جدول ها

 

جدول1-1 شیوه های اصلی خنک سازی[5]…………………………………………………………………………………………7

جدول2-1 مقایسه نتایج بدست آمده برای ضریب انتقال حرارت جابجایی[16]………………………………..19

جدول2-2 مقایسه عدد ناسلت مطالعه آرکویس با نتایج تجربی مطالعه آقای لین[19]……………………23

جدول2-3 مشخصات بررسی های گذشته انتقال حرارت داخل کانال با چشمه های حرارتی………….29

جدول3-1 اطلاعات اولیه مسئله………………………………………………………………………………………………………….34

جدول5-1 ضرائب محاسبه شده فرمول پیشنهادی مطالعه حاضر……………………………………………………..81

جدول5-2 حداکثر و حداقل دما ی مکعب­ها بر حسب تغییرات ابعاد چشمه های حرارتی………………83

جدول5-3 حداکثر و حداقل دما ی مکعب ­ها بر حسب تغییرات فاصله میان چشمه های حرارتی….86

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ز

 

 

• فهرست شکل ها

شکل1-1 جریان اطراف صفحه ضخیم نیمه بی نهایت]3[.. 4

شکل1-2 جریان اطراف یک صفحه ضخیم و محدود]3[.. 4

شکل1-3 جریان روی سه مکعب در داخل کانال. 4

شکل 1-4 توسعه پروفایل سرعت در یک مجرا[10].. 8

شکل 1-5 توسعه پروفایل دما دریک مجرا[10].. 9

شکل1-6 جریان جابجایی آزاد بین صفحات موازی گرم [10]. 10

شکل2-1 شماتیکی از هندسه مدلسازی شده به همراه پارامترهای هندسی مربوطه[12].. 13

شکل2-2 تغییرات عدد ناسلت بر حسب تغییر زاویه در اعداد رینولدز متفاوت[12].. 14

شکل2-3 شماتیکی از هندسه مدلسازی شده به همراه پارامترهای هندسی مربوطه[13].. 15

شکل2-4 شماتیکی از هندسه مدلسازی شده[14].. 15

شکل2-5 عدم تولید حرارت توسط یکی از سه چشمه های حرارتی روی دما  [14].  16

شکل2-6 تاثیر فواصل بین چشمه های حرارتی روی دما[14].. 16

شکل2-7 شماتیکی از هندسه مورد مطالعه[15].. 17

شکل2-8 شماتیکی از هندسه ی مورد مطالعه[16].. 18

شکل2-9 شبکه بندی غیر سازمان یافته ی هندسه مورد مطالعه[16]  19

شکل2-10 شماتیکی از هندسه ی مدلسازی شده[17].. 20

شکل2-11 شماتیکی از هندسه مدلسازی شده به همراه پارامترهای هندسی مربوطه[18].. 21

شکل2-12 دامنه ی محاسباتی مسئله و شرایط مرزی[18].. 21

شکل2-13 تاثیر عدد رینولدز روی دمای بی بعد شده[18].. 21

شکل2-14 تاثیر عدد گراشف روی دمای بی بعد شده[18].. 22

شکل2-15شماتیکی از هندسه مدلسازی شده به همراه پارامترهای هندسی مربوطه[19].. 22

شکل2-16 شماتیکی از هندسه مدلسازی شده به همراه پارامترهای هندسی مربوطه[21].. 23

شکل2-17 نمودار عدد ناسلت بر حسب عدد رینولدز در زوایای مختلف[21].  24

شکل2-18 شماتیکی از هندسه مدلسازی شده به همراه پارامترهای هندسی مربوطه[22].. 25

شکل2-19 نمودار عدد ناسلت چشمه های گرمایی بر حسب عدد رینولدز[22].  25

شکل2-20 شماتیکی از هندسه ی مدلسازی شده[23].. 26

شکل2-21 نمودار عدد ناسلت در امتداد سطح فین [23].. 26

ح

شکل2-22 شماتیکی از دستگاهی که داده برداری تجربی با کمک ان صورت گرفته است[24].. 27

شکل2-23 تاثیرنسبت  روی انتقال حرارت و دمای چشمه های حرارتی[24].  28

شکل3-1 شماتیکی از کانال مدلسازی شده به همراه پارامترهای هندسی مربوطه.. 32

شکل 3-2 سطوح کناری که شرط مرزی تقارن دارند…………………………………………………………………………33

شکل3-3 شکل3-3 دامنه ی محاسباتی مسئله مورد تحقیق و شرایط مرزی……………………………………37

شکل4-1 شماتیکی از شبکه ی ایجاد شده مطالعه حاضر از نمای کنار.  40

شکل4-2 شماتیکی از شبکه ی ایجاد شده مطالعه حاضراز نمای بالا.  40

شکل4-3 شماتیکی از شبکه ی ایجاد شده مطالعه حاضر از نمای روبرو  41

شکل4-4 پروفایل سرعت در خط میانی یک صفحه ی تعبیه شده در پایین دست مکعب انتهایی. 42

شکل4-5 روند تغییرات ضرائب خطاها تا رسیدن به حالت همگرایی.  43

شکل4-6 مقایسه تغییرات پروفایل سرعت در مطالعه‌ی حاضر و مطالعه‌ی آقای هبشی]26[.. 44

شکل4-7 هندسه‌ی مورد استفاده در مقاله‌ی آقای هبشی و آچاریا]26[.  45

شکل4-8 مقایسه‌ نتایج مطالعه‌ حاضر با نتایج مطالعه‌ آقای هبشی و آچاریا]26[ در x/L=1…….. 45

شکل4-9 میانگین دمای مکعب اولی بر حسب زمان…………………………………………………………………………..46

شکل4-10میانگین عدد ناسلت برای مکعب اولی بر حسب زمان……………………………………………………….46

شکل4-11کانتورهای دمای معادل تشعشع برای حالت ,Re=1,Gr=10⁶…………………………….47

شکل5-1 بردار سرعت و دما ثابت برای عدد گراشف 10⁶و زاویه صفر درجه برای Re=1.. 50

شکل5-2 بردار سرعت و دما ثابت برای عدد گراشف 10⁶و زاویه­ صفر درجه برای Re=10.. 50

شکل 5-3 بردار سرعت و دما ثابت برای عدد گراشف 10⁶و زاویه صفر درجه برای­Re=100. 51

شکل 5-4 بردار سرعت و دما ثابت برای عدد گراشف 10⁶و زاویه­ صفر درجه برای Re=500 . 51

شکل 5-5 بردار سرعت و دما ثابت برای عدد گراشف 10⁶و زاویه­ صفر درجه برای Re=1000… 52

شکل 5-6 خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 10⁶و زاویه  45درجه برای Re=1.. 53

شکل 5-7 خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 10⁶و زاویه 45درجه برای Re=10.. 53

شکل5-8 خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 10⁶و زاویه 45درجه برای Re=100.. 54

شکل 5-9 خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 10⁶و زاویه 45درجه برای Re=500.. 54

شکل 5-10 خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 10⁶و زاویه 45درجه برای Re=1000. 55

شکل 5-11 خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 10⁶و زاویه 90درجه برای  Re=1.. 56

شکل 5-12 خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 10⁶و زاویه 90درجه برای  Re=10.. 57

شکل5-13 خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 10⁶و زاویه 90درجه برای  Re=100.. 58

شکل 5-14 خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 10⁶و زاویه 90درجه برای  Re=500.. 59

شکل5-15 خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 10⁶و زاویه 90درجه برای  Re=1000. 60

ط

شکل 5-16خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 10⁵و زاویه صفر درجه برای  Re=1.. 62

شکل 5-17خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 10⁵و زاویه صفر درجه برای  Re=10. 62

شکل 5-18خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 10⁵و زاویه صفر درجه برای  Re=100. 63

شکل 5-19خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 10⁵و زاویه صفر درجه برای  Re=500.. 63

شکل 5-20خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 10⁵و زاویه صفر درجه برای Re=1000. 64

شکل 5-21خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 10⁵و زاویه 45 درجه برای  Re=1.. 64

شکل 5-22خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 10⁵و زاویه  45 درجه برای  Re=10. 65

شکل 5-23خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 10⁵و زاویه 45 درجه برای  Re=100.. 65

شکل 5-24خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 10⁵و زاویه 45 درجه برای  Re=500.. 66

شکل 5-25خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 10⁵و زاویه 45 درجه برای  Re=1000. 66

شکل 5-26 خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 10⁵و زاویه 90 درجه برای Re=1.. 67

شکل 5-27 خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 10⁵و زاویه 90 درجه برای Re=10.. 68

شکل 5-28خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 10⁵و زاویه 90 درجه برای Re=100. 69

شکل 5-29 خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 10⁵و زاویه 90 درجه برای Re=500. 70

شکل 5-30 خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 10⁵و زاویه 90 درجه برای Re=1000. 71

شکل 5-31­ تغییرات عدد­ ناسلت­ بر­  حسب­ زاویه­ برای­حالت   Gr=10⁶, k_s=0.24 W/mK.. 75

شکل 5-32 ­تغییرات­ عدد­ ناسلت­  بر­ حسب­­ زاویه­ برای­ حالت  Gr= , =2.4W/mK.. 76

شکل5-33­­ تغییرات عدد­ ناسلت­ بر حسب زاویه برای حالت   ­   Gr=10⁵, k_s=0.24W/mK.. 77

شکل­5-34 تغییرات عدد ناسلت بر حسب زاویه برای حالت ­ W/mK  Gr=10⁵, k_s=2.4  78

شکل­5-35­­تغییرات عدد ناسلت بر حسب زاویه برای حالت ­ W/mK  Gr=10⁴, k_s=0.24  79

شکل­5-36­تغییرات عدد ناسلت بر حسب زاویه برای حالت ­  W/mK  Gr=10⁴, k_s=2.4  81

شکل5-37 ­اثر­ ارتفاع­ بی­­بعد­ بر­­ روی­  عدد­­ ناسلت­­ به ­­ازای. 83

شکل­5-38­رابطه ­عدد­ ناسلت میانگین سه مکعب بر حسب ارتفاع بی بعد  84

شکل5-39 اثر فاصله­ی بی بعد بر روی عدد ناسلت. 85

شکل 5-40 رابطه ی عدد ناسلت میانگین سه مکعب بر حسب فاصله­ی بی بعد  86

شکل 5-41 رابطه عدد ناسلت میانگین سه مکعب بر حسب ارتفاع بی بعد  87

شکل 5-42 رابطه عدد ناسلت میانگین سه مکعب بر حسب ارتفاع بی بعد  88

شکل 5-43 رابطه ی عدد ناسلت میانگین سه مکعب بر حسب فاصله­ی بی بعد  89

شکل 5-44 رابطه ی عدد ناسلت میانگین سه مکعب بر حسب فاصله­ی بی بعد  90

شکل 5-45 میزان افت فشار در کانال بر حسب Re، برای Gr های مختلف  92

شکل5-46 کانتورهای دما ثابت برای حالت غیر دائمی و دائمی در زاویه صفر درجه…………………….94

ی

شکل5-47 کانتورهای خطوط جریان برای حالت غیر دائمی و دائمی در زاویه صفر درجه……………94

شکل5-48 کانتورهای دما ثابت برای حالت غیر دائمی و دائمی در زاویه 45 درجه……………………..95

شکل5-49 کانتورهای خطوط جریان برای حالت غیر دائمی و دائمی در زاویه 45 درجه……………..96

شکل5-50 کانتورهای دما ثابت برای حالت غیر دائمی و دائمی در زاویه 90 درجه……………………..97

شکل5-51 کانتورهای خطوط جریان برای حالت غیر دائمی و دائمی در زاویه 90 درجه………………98      

ک

ل

فهرست نشانه‌های اختصاری

نشانه‌های لاتین
توضیح	نشانه
عدد بی بعد بایو	Bi
قطر هیدرولیکی کانال(cm)	D
عدد بی بعد گراشف	Gr
طول هر ضلع چشمه حرارتی(cm)	H
ضریب انتقال حرارت جابجایی	h
ضریب بی بعد رسانش	K
ضریب انتقال حرارت رسانش	k
طول صفحه(cm)	L
عدد بی بعد ناسلت	Nu
عدد بی بعد رفشار	P
عدد بی بعد پکلت	Pe
عدد بی بعد پرانتل	Pr
شار حرارتی
عدد بی بعد رایلی	Ra
عدد بی بعدرینولدز	Re
عدد بی بعد ریچاردسون	Ri
عدد بی بعد اشمیت فاصله بین دو چشمه حرارتی (cm)	Sc s
دمای مطلق (K)	T
متغیر بی بعد سرعت در راستای X	U
سرعت در راستای  x	u
متغیر بی بعد سرعت در راستایY	V
سرعت در راستای y	v
متغیر بی بعد سرعت در راستای Z	W
سرعت در راستایZ	w
متغیر بی بعد مکان در راستایX	X
متغیر بی بعد مکان در راستایY	Y
م
بالانویس‌‌ها
توضیح	نشانه
اصلاح شده
زیرنویس‌ها
توضیح	نشانه
طول مشخصه صفحه	L
دیوار	w
محیط دور دست
بحرانی	c
سیال	f
هیدرولیکی	e
بردار یکه عمود بر سطح	n
سطح چشمه های حرارتی	s
اولیه	0
ن
حروف یونانی
توضیح	نشانه
ضریب انبساط	β
زاویه	γ
دمای بی بعد	θ
لزجت سینماتیکی	υ
لزجت دینامیکی	µ
چگالی	ρ
زمان بی بعد	τ