بیان گردید. شکل 5-1 نمایی از ورتکس تیوب با مشخصات نازل را نمایش می دهد.

شکل 5-1: نمایی از ورتکس تیوب و پارامترهای هندسی نازل آن

5-1 بررسی تأثیر ارتفاع نازل بر دمای خروجی سرد و گرم دستگاه
روند کلی این بررسی بدین شکل است که ابتدا برای اندازه های مختلف H و W دمای خروجی را مورد بررسی قرار میدهیم و تمامی این تغییرات در حالتی رخ میدهند که مقدار B برای تمامی حالات مقداری ثابت و برابر 0.97 mm فرض شده است. در جدول شماره 5-1 که در ذیل آمده است، اعداد بدست آمده به ازای H های مساوی 5 ، 6 و 7 میلی متر و برای W های مختلف 0.8 و 0.9 و1.0 و 1.2 قید شده است.

جدول (5-1) دمای خروجی سرد برای ارتفاع های مختلف نازلها
W
cold exit temprature
( H = 5 mm )
cold exit temprature
( H = 6 mm )
cold exit temprature
( H = 7 mm )
0.8
247.7056
247.4873
247.6111
0.9
249.2323
249.1686
249.5124
1.0
249.7434
249.6897
249.7741
1.2
252.4737
252.3642
252.4112

همانگونه که درنتایج بدست آمده مشاهده می گردد و مطابق آنچه که انتظار میرفت، تغییرات ارتفاع نازل (H) باتوجه به عدم تغییرسطح مقطع نازل، درتغییرات دما آنچنان موثر نبوده بگونه ای که کمترین دمای خروجی سرد به ازای H=6 وW=0.8 بدست آمده است.

شکل 5-2 : نمودار دمای خروجی سرد برحسب ارتفاع نازل برای w = 0.8 mm
شکل 5-3 : نمودار دمای خروجی سرد برحسب ارتفاع نازل برای w = 0.9 mm

شکل 5-4 : نمودار دمای خروجی سرد برحسب ارتفاع نازل برای w = 1 mm
شکل 5-5 : نمودار دمای خروجی سرد برحسب ارتفاع نازل برای w = 1.2 mm

(b)

(a)

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
علاوه بر دمای خروجی سرد می توان مقدار اختلاف دمای ایجاد شده در خروجی گرم را نیز مورد تجزیه و تحلیل قرار داد و در واقع عملکرد ورتکس تیوب را از لحاظ گرمایشی نیز بررسی نمود. این کار در شکل 5-6 b انجام شده است مطابق این شکل مدل دارای w=0.8mm بیشترین اختلاف دما را در خروجی گرم نسبت به سایر مدل ها ایجاد می کند درست همانند نتیجه ای که در مورد ΔTi,c گرفته شده است. ولی در مدل دارای عرض w=1.2 mm کمترین می باشد. برای مقاصد گرمایشی توصیه می شود از مدل دارای مشخصات H=7mm و W=0.8 mm و B=0.97 mm استفاده نمود. همانگونه که پیشتر گفتیم از ورتکس تیوب بیشتر در مقاصد سرمایشی استفاده می شود و هدف این پایان نامه هم دستیابی به پایین ترین دمای ممکن در خروجی سرد و افزایش میزان سرمایش می باشد لذا نتایج خروجی گرم صرفا جهت مطالعه بیشتر ارائه شده است.
همانگونه که در اشکال 5-2 تا 5-6 ملاحظه می شود، با نگاهي به نتايج بدست آمده براي H هاي مختلف با توجه به اينكه سطح مقطع نازل ثابت مانده است و دبي عبوري از نازل نيز ثابت مي باشد لذا سرعت عبور هوا از نازل يكسان بوده و طول اين نازل آنچنان موثر نخواهد بود و با ازاي نازل بلندتر قطعا تلفات بيشتري نيز شاهد خواهيم بود. در حالي كه افزايش سرعت جهت هرچه بيشتر كاستن دماي خروجي سرد، امري مطلوب بوده و به كاهش دماي سرد خروجي كمك خواهد نمود. در صورتي كه طول نازل از مقدار بدست آمده كوتاه تر باشد، هوا فرصت كافي جهت يكنواخت شدن را نداشته و باعث تلاطم هنگام ورود به محفظه چرخش خواهد شد لذا انتظار ميرود يك حالت بهينه براي طول نازل متناظر با هر W وجود داشته باشد. برای نشان دادن امر فوق به بررسی تک تک حالات می پردازیم و نتایج را بصورت نمودار جهت نشان دادن حالت بهینه نمایش می دهیم که این کار در اشکال 5-7 تا 5-9 انجام شده است و با اندکی تأمل در نتایج متوجه ميگرديم كه طول ارتفاع نازل به ازاي 6mm بهترين نتيجه مطلوب را براي تمامي عرض ها بدست ميدهد و دمای خروجی سرد را به پایینترین مقدار خود می رساند.

شکل 5-7: نمودار دمای خروجی سرد برحسب عرض نازل برای ارتفاع نازل 5 میلیمتر
شکل 5-8 : نمودار دمای خروجی سرد برحسب عرض نازل
برای ارتفاع نازل 6 میلیمتر

شکل 5-9: نمودار دمای خروجی سرد برحسب عرض نازل برای ارتفاع نازل 7 میلیمتر

در ذیل کنتورهای دمایی به ازای بهترین حالت (W=0.8 mm و H=6 mm) و بدترین حالت (W=1.2 mm و H=7 mm ) آورده شده است.همانطور که پیداست مدل دارای ابعاد بهینه برای نازل، دارای رنج دمایی پایینتری در نزدیکی خروجی سرد نسبت به حال های دیگر می باشد. این امر نشان میدهد که استفاده از ابعاد هندسی صحیح، به شکل گیری یک جریان سرد قوی در هسته مرکزی کمک می کند.

شکل5-10:کانتورهای دمایی برای حالات
a)حالت بهینه: W=0.8 mm و H=6 mm

b)بدترین حالت: W=1.2 mm و H=7 mm

5-2 مفهوم جریان برگشتی در ورتکس تیوب
نکته مهم در تحقیق حاضر، تشکیل جریان برگشتی56 در خروجی سرد ورتکس تیوب میباشد. براي H هاي كمتر و بيشتر از مقادير بررسي شده، دماهاي متناظر به اين علت قيد نگرديده اند كه با جريان برگشتي براي حالت هاي مذكور مواجه مي گرديم لذا در اينجا لازم مي نمايد در مورد جريان برگشتي در دستگاه ورتكس تيوب توضيحي هرچند كوتاه ارائه گردد.
جریان برگشتی با ایجاد تغییر و دگرگون کردن الگوی جریان در نزدیکی خروجی سرد و به دلیل ایجاد اختلاط باعث افزایش دمای جریان خروجی و در نتیجه کاهش جدایش دمایی در خروجی سرد خواهد شد. در حالیکه عملکرد مطلوب در ورتکس تیوب بدست آوردن دمای پایینتر در خروجی سرد میباشد. در شکل 5-11 جریان برگشتی در خروجی سرد بدست آمده از نتایج تحلیل عددی مشاهده میشود. در این شکل خطوط جریان بر اساس بردارهای سرعت محوری مشاهده میشوند. رنگ آبی بردارها، نشان دهنده جهت معکوس و در خلاف جهت محوری میباشد. مشاهده میگردد که در ناحیه میانی اریفیس خروجی سرد، جهت جریان به طرف داخل بوده در حالی که در کنارهها جهت جریان به طرف خارج میباشد. این مسأله باعث رانده شدن جریان جدا شده سرد به طرف داخل ورتکس تیوب و اختلاط جریان گرم با سرد شده و نتیجه بصورت افزایش دما در خروجی سرد خود را نشان خواهد داد.

شکل 5-11: نمایش دو بعدی خطوط مسیردر نزدیکی خروجی سرد بر حسب سرعت محوری

در شکل 5-12 نشان داده شده است که به علت پدیده جریان برگشتی، دما در خروجی سرد بالاست و جریان سرد به طرف عقب رانده شده است.

شکل 5-12: طیف دمای کل در مقطعی نزدیک خروجی سرد

در مطالعه حاضر نیز با این پدیده مواجه بودیم و مشاهده شد که مدلهای عددی در تعدادی از موارد و به ازای طول و عرض هاي مختلف نازل تزريق، به علت وقوع جریان برگشتی، فیزیک جریان بهم میخورد لذا در اين بررسي از قيد كردن حالاتي كه جريان برگشتي رخ داده است اجتناب كرده ايم.

5-3 بررسی عدد ماخ داخل محفظه چرخش در حالات مختلف ارتفاع نازل
برای مقایسه هرچه بهتر آنچه در محفظه چرخش در حالات مختلف افتاده است، شکل 5-13 توزیع عدد ماخ در داخل محفظه چرخش دستگاه ورتکس تیوب برای سه حالت محتلف را نشان داده است. همانطور که از شکل پیداست، با کاهش عرض نازل، عدد ماخ در داخل محفظه چرخش بالا رفته است. افزایش عدد ماخ، افزایش سرعت و مومنتوم تزریقی به لوله را در پی دارد و این به نوبه خود باعث میشود که ورتکس های خارجی و داخلی بیشتر با همدیگر انتقال حرارت انجام دهند و دمای خروجی سرد کاهش پیدا کند در نتیجه جدایش دمایی بهتری رخ داده است.
همانطور که از شکل 5-13 پیداست، جریان در ورودی نازل به صورت فروصوت57 ولی با ماخ بالا (حدود 0.9) میباشد. با حرکت سیال در طول نازل و ورود آن به داخل محفظه چرخش، عدد ماخ افزایش مییابد و جریان فراصوت58 میشود. با ادامه حرکت سیال در داخل محفظه، عدد ماخ پس از رسیدن به ماکزیمم مقدار خود، کاهش مییابد و جریان یکباره زیرصوت میشود و این مبین رخ دادن شوک در داخل محفظه چرخش میباشد که همراه با افتهایی در سیستم از جمله فشار میباشد.

شکل5-13:کانتورهای ماخ برای فاز یک بررسی و حالات
a)حالت بهینه: W=0.8mm و H=6 mm

b)یک حالت میانی؛ در اینجا W=1 mm و H=5 mm

c)بدترین حالت: W=1.2 mm و H=7 mm

5-4 بررسی تناظر بین فشار در محفظه چرخش و دمای خروجی سرد دستگاه
در بررسی عددی حاضر پارامترهای مورد بحث ابعاد نازلهای تزریق میباشند، همانطور که اشاره شد، به ازای ارتفاع مشخصی از نازل تزریق و با ثابت فرض کردن مساحت ورودی نازل، با اعمال تغییرات بر روی طول (B) و عرض نازل (W) رفتار سیال را مورد بررسی قرار دادیم. حال به تاثیر عرض نازل(W) با اختیار B=0.97mm در سه حالت ارتفاع نازلH=5,6,7 برروی فشار در داخل محفظه چرخش و در راستای شعاعی میپردازیم. با اینکار نشان داده خواهد شد که تا حد معینی کاهش W باعث نتایج مطلوبتری برای دستگاه خواهد شد. نمودار های مربوطه در اشکال 5-14 تا 5-16 ترسیم گردیده اند.

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

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

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

همانگونه که از نمودار شکل های 5-14 و 5-15 و 5-16 استنباط می شود با کاهش عرض نازل فشردگی در نزدیکی دیواره بشدت بالا رفته و فشار متناظر با این نقاط نیز تغییر قابل ملاحظهای را نشان می دهند به گونه ای که فشار ورودی برای حالت بهینه یعنی H=6mm و W=0.8mm برابر با 4.8 بار بوده که بعد از تزریق به داخل محفظه مقدار 7.01 بار را به خود دیده است. بدین ترتیب که با کاهش عرض نازل، فشردگی در نزدیکی دیواره محفظه چرخش کاهش یافته و فشار نیز بالا رفته و متراکم می شود با این اتفاق فضای بیشتری برای تشکیل هسته سرد فراهم آمده و توانایی انبساط در راستای شعاعی را پیدا میکند و این انبساط طبیعتا توأم خواهد بود با کاهش فشار در هسته سرد. در نتیجه کاهش دمای هسته سرد در نزدیکی خروجی سرد دستگاه را شاهد خواهیم بود. بدین معنی که باحرکت در جهت محور z و در راستای شعاعی شاهد جدایش انرژی خواهیم بود و این امر باعث اختلاف دمایی بالاتر بین دماهای خروجی سرد و گرم دستگاه یعنی جدایش دمایی بالاتری برای دستگاه خواهد بود. برای درک و نشان دادن بهتر موضوع در جدول 5-2 مقادیر فشار بیشینه در داخل محفظه چرخش و دمای خروجی دستگاه برای حالت های مختلف بررسی شده اند و به خوبی شاهد تأثیر تغییر عرض نازل بر فشارها و دماهای خروجی دستگاه میباشیم.

جدول 5-2 : مقادیر بیشینه فشار در محفظه چرخش و دمای خروجی سرد دستگاه

Total pressure ( kpa )
cold exit temprature (K)
H = 5mm
W = 0.8 mm
554
247.7056

W = 1.2 mm
368
252.2537
H = 6mm
W = 0.8 mm
701
247.4873

W = 1.2 mm
436
252.3642
H = 7mm
W = 0.8 mm
693
247.6111

W = 1.2 mm
438
252.4112

به عنوان مثال، برای ارتفاع نازل 6 میلیمتر و عرض نازل 0.8 مقدار ماکزیمم فشار در محفظه چرخش 701 کیلو پاسکال و دمای خروجی سرد متناظر با آن 247.48 کلوین بوده و در مقایسه با عرض نازل 1.2 میلیمتر که مقدار بیشینه فشار آن 436 کیلو پاسکال و دمای متناظر با آن 252.36 کلوین میباشد. همانطورکه از نتایج بر میآید، برای ارتفاع 6 میلیمتر نازل و عرض 0.8 و 1.2 میلیمتر اختلاف فشار موجود 265 کیلو پاسکال بوده و این در حالیست که اختلاف دمای متناظر با این اختلاف فشار 4.9 کلوین می باشد که این امر مبین این مطلب میباشد که با کاهش عرض نازل فشار داخل محفظه چرخش را

دسته بندی : No category

دیدگاهتان را بنویسید