برخورد جت روی صفحه U شکل، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

توضیحات

شرح پروژه برخورد جت روی صفحه U شکل

در این پروژه به شبیه سازی برخورد جت روی صفحه U شکل با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) پرداخته ایم .پس از خروج جریان از نازل، جت در ناحیه جت آزاد با مکش جریان اطراف و افزایش سرعت جریان جرمی آن منبسط می شود. سپس به صفحه در ناحیه رکود برخورد می کند و جهت را تغییر می دهد.

جت برخوردی یک جت سیالی است که به صورت عمودی یا در یک زاویه خاص برای سرمایش یا گرمایش به سطح برخورد می کند. در این حالت، جریان پس از ضربه روی سطح ایجاد می شود و یک لایه مرزی حرارتی ایجاد می کند. با حرکت در جهت محیطی، ضخامت این لایه مرزی افزایش می یابد و در نتیجه سرعت انتقال حرارت کاهش می یابد. بنابراین با توجه به حداقل ضخامت لایه مرزی حرارتی و حداکثر میزان تلاطم جریان در ناحیه برخورد، میزان انتقال حرارت در این ناحیه نسبت به مناطق دیگر افزایش قابل توجهی می یابد. شکل زیر جت برخورد با دیوار و نمای کلی جریان پس از برخورد را نشان می دهد.

جت های برخوردی به دلیل تلاطم و سرعت بالا دارای خواص انتقال حرارت عالی هستند. به همین دلیل امروزه از جت های برخوردی در بسیاری از کاربردهای صنعتی مانند مواد غذایی، چوب، کاغذ، الیاف، شیشه و همچنین در تهویه، احتراق، خنک سازی صفحات فولادی و توربین های گاز استفاده می شود. جت های برخوردی را می توان به سه ناحیه کلی تقسیم کرد: منطقه جت آزاد، منطقه سکون و منطقه جت دیواری. از جمله پارامترهای هندسی که جت برخوردی را مشخص می کند، قطر یا عرض خروجی نازل و فاصله نازل تا صفحه ضربه است. سرعت، مشخصات سرعت، دما و شدت تلاطم در خروجی نازل عوامل تعیین کننده جریان در جت های برخوردی هستند.

هندسه سه بعدی این پروژه با نرم افزار ANSYS Design Modeler طراحی شده است. مش بندی آن با نرم افزار ANSYS Meshing انجام شده است. تعداد سلول های محاسباتی 2700,000 بوده و نوع مش ساختاریافته است.

روش های استفاده شده

مدل توربولانسی استفاده شده در این پروژه، K-omega SST بوده و سرعت جریان 34.89 m.s^-1 است. همچنین روی دیواره از  heat flux استفاده شده است.

نتایج شبیه سازی برخورد جت روی صفحه U شکل

شکل زیر Y پلاس را روی یک سطح مقعر نشان می دهد:

عدد ناسلت با توجه به میزان دمای بدست آمده در خط پایین صفحه U شکل در مرکز آن در جهت X و دمای مربوط به آن به دست می آید. با تغییر سرعت ورودی جت برخورد می‌توان عدد رینولدز را تغییر داد و با سه عدد رینولدز 23000، 14000 و 40000 عدد ناسلت را بررسی کردیم. Nu=hk/L=hLk شکل زیر نموداری از عدد ناسلت را در این شبیه سازی بر حسب اعداد رینولدز مختلف نشان می دهد.

مقدار فشار در نقطه ای که جت به صفحه برخورد می کند حداکثر مقدار را دارد. گرادیان فشار منفی باعث می شود که سرعت با پیشروی از نقطه برخورد در جهت شعاعی به سمت خارج صفحه به حداکثر مقدار خود برسد. فشار مثبت در مرز ناحیه ایستایی و دیواره گرادیان اعمال می شود. در نتیجه، سرعت کاهش می یابد و با پیشروی در ناحیه جت دیوار، فشار افزایش می یابد. حداکثر مقدار عدد ناسلت در نقطه ایستایی به دست می آید زیرا ضخامت لایه مرزی در این نقطه کمترین است. با حرکت جریان به سمت جت دیوار، ضخامت لایه مرزی افزایش می یابد. در نتیجه عدد ناسلت کاهش می یابد. در فواصل از نازل تا صفحه H / d <5، عدد ناسلت در سطح برخورد دارای دو ماکزیمم است. اولین ماکزیمم در نقطه ایستایی به دلیل ساختار گردابه های در مقیاس بزرگ است که سرعت سیال را افزایش می دهد و در نتیجه عدد ناسلت را افزایش می دهد. ماکزیمم دوم را می توان به دلیل انتقال از کند به متلاطم در منطقه انتقال در نظر گرفت.

از طرفی در مکان حداکثر دوم، گرداب های القایی به دلیل برهم کنش گردابه های بزرگ مقیاس و سطوح ضربه ای ایجاد می شود که باعث افزایش انتقال حرارت می شود. عدد ماخ معیاری برای تراکم پذیری سیال است. سیالات زیر 0.3 در اعداد ماخ تراکم ناپذیرند و سیالات در اعداد ماخ بالا تراکم پذیر نیستند. در سیالات تراکم ناپذیر در فواصل نازل تا صفحه پایین، حداکثر دوم در عدد ناسلت از مقدار آن برای سیالات تراکم پذیر مهمتر است. این پدیده به این دلیل است که گرداب های القایی در مکان حداکثر دوم در سیالات تراکم ناپذیر بزرگتر از سیالات تراکم پذیر هستند. نسبت ابعاد (AR) بخش نازل می تواند بر انتقال حرارت تأثیر بگذارد. هر چه نسبت تصویر بزرگتر باشد، انتقال حرارت بیشتر است. بیشترین انتقال حرارت در نقطه ثابت در H / d = 6 رخ می دهد.

از طرفی در H/d> 5 پیک ثانویه در عدد ناسلت دیده نمی شود. انتقال حرارت با افزایش تلاطم در خروجی جت افزایش می یابد. این به دلیل تقویت ساختار گرداب است. با افزایش تعداد جت ها، عدد ناسلت نقطه ثابت تغییر نمی کند، اما انتقال حرارت کل را می توان افزایش داد. در این صورت، اگر مقدار بهینه ای را برای H/d و S/d انتخاب کنیم، می توانیم به حداکثر انتقال حرارت برسیم. با افزایش زاویه ضربه در فواصل کوتاهتر از نازل تا صفحه مکان، حداکثر عدد ناسلت جابجا شده و مقدار آن نیز افزایش می یابد. با افزایش فرکانس در خروجی نازل، عدد ناسلت ابتدا افزایش یافته و سپس کاهش می یابد. با توجه به تغییرات پارامتر در عدد ناسلت، با ترکیب بهینه آنها می توان به حداکثر عدد ناسلت رسید.