بررسي تجربي و عددي جريان عبوري از يك سيلندر متصل به كف با گوشه هاي گرد شده در نسبت هاي منظري متفاوت

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك

دكتري

در سال¬هاي اخير مطالعات گسترده اي بر روي رفتار آيروديناميكي اجسام جريان بند انجام شده است. يكي از مسائلي كه در اين زمينه همواره توسط پژوهشگران مورد بررسي قرار گرفته است، ارائه راهكارهاي مختلف به منظور كاهش نيروهاي آيروديناميكي وارد بر اين اجسام و شناحت الگوها و ساختار جريان آنها است. در اين پژوهش تلاش شد كه تاثير گرد كردن گوشه¬هاي يك سيلندر سه بعدي با مقطع مربعي متصل به كف بر نيروهاي آيروديناميكي، ساختار جريان دنباله و گرادبه هاي ايجاد شده و همچنين الگوهاي جريان لحظه¬اي و متوسط بررسي شود. براي رسيدن به اين هدف از بررسي¬هاي تجربي به كمك اندازه¬گيري¬هاي تونل باد و دود همچنين شبيه سازي¬هاي عددي به روش شبيه سازي ادي¬هاي بزرگ (LES) استفاده شده است. سيلندر¬هاي سه بعدي متصل به كف مورد استفاده در اين پژوهش داراي نسبت¬هاي منظري 7، 4 و 2=AR است. به منظور برررسي تاثير گرد كردن گوشه¬ها بر ميدان جريان و ضرايب آيروديناميكي، نسبت¬هاي شعاع انحنا بدون بعد 0 (مقطع مربع)، 167/0، 25/0 و 5/0 (مقطع دايره)=r* انتخاب شده است. در اندازه¬گيري¬هاي تجربي از جريان سنج سيم داغ به منظور تحليل فركانسي ميدان جريان استفاده شده است. از آنجايي كه جريان سنج سيم داغ داراي فركانس داده¬برداري بالايي مي-باشد براي اين منظور بسيار مفيد است. يكي از ابزارهاي مناسب براي اندازه¬گيري ناحيه دنباله، كاوشگر پنج حفره¬اي است. به كمك اين ابزار مي¬توان ميدان سرعت و ميدان ورتيسيته را با دقت بالايي اندازه¬گيري كرد. به منظور تجسم سازي ميدان جريان از دو روش مرئي سازي به كمك دود و همچنين مرئي سازي به كمك روغن استفاده شده است. براي انجام مرئي سازي دود، يك تونل دود جديد ساخته شد و براي ارزيابي صحت نتايج آن ابتدا از مدل يك اتاقك استفاده شد و نتايج به دست آمده با شبيه سازي¬هاي عدد نيز مقايسه گرديد. پس از اطمينان از صحت عملكرد آن، براي هندسه سيلندر¬ها نيز استفاده شد. پژوهش¬هاي صورت گرفته به كمك جريان سنج سيم داغ، كاوشگر پنج حفره¬اي و مرئي سازي به كمك روغن در عدد رينولدز 16000 صورت گرفته است. اما مرئي سازي¬هاي جريان به كمك دود در اعداد رينولدز پايين (كمتر از 1300=Re) انجام شده است. به دليل پيچدگي¬هاي فوق العاده ميدان جريان سيلندرهاي متصل به كف، شبيه¬سازي¬هاي عددي به كمك روش LES انجام شده است. از آنجايي كه روش LES هزينه محاسباتي بالايي دارد تنها ميدان جريان براي سيلندر با نسبت منظري 7=AR شبيه سازي شده است. همانند روش تجربي سيلندرها داراي نسبت¬هاي شعاع انحنا 0 (مقطع مربع)، 167/0، 25/0 و 5/0 (مقطع دايره)=r* هستند. شبيه¬سازي¬هاي عددي براي دو عدد رينولدز 1000 و16000 انجام شده است. مرئي¬سازي جريان به كمك دود در عدد رينولدز 1000=Re و شبيه سازي¬هاي عددي در عدد رينولدز 16000=Re، نشان مي¬دهد كه بر روي سطوح جانبي سيلندر با نسبت¬هاي شعاع انحنا 167/0 و 25/0=r* حباب¬هاي جدايش به وجود مي¬آيد. بررسي ميدان ورتيسيته آشكار مي¬كند كه توپولوژي ناحيه دنباله (از منظر دو قطبي يا چهار قطبي بودن) تنها تابع نسبت منظري است و نسبت شعاع انحنا هيچ تاثيري در آن ندارد. با اين حال قدرت گردابه¬هاي نوك تابع r* است و با گرد كردن گوشه¬ها از قدرت آنها كاسته مي¬شود. بر اساس نتايج به دست آمده از جريان سنج سيم داغ مي¬توان گفت كه با افزايش نسبت شعاع انحنا فركانس ريزش گردابه افزايش مي¬يابد. نتايج شبيه سازي عددي به كمك LES در عدد رينولدز 16000 ارائه شده است. بررسي ضرايب آيروديناميكي نشان مي¬دهد كه گرد كردن گوشه¬ها به ميزان چشمگيري نيروي درگ را كاهش مي¬دهد. به عنوان مثال با افزايش نسبت شعاع انحنا از 0 به 167/0 ضريب درگ 28 درصد كاهش مي¬يابد. اما گرد كردن گوشه¬هاي تيز هميشه منجر به كاهش ضريب نوسانات ليفت نمي¬شود. برررسي¬ها نشان مي¬دهد كه با تغيير نسبت شعاع انحنا از 0 به 167/0=r* ضريب نوسانات ليفت 14 درصد زياد مي¬شود. هرچند پس از آن روند كاهشي شروع مي¬شود. نتايج نشان مي¬دهد كه افزايش نسبت شعاع انحنا از 0 به 167/0 و 25/0=r* باعث افزايش تنش برشي گردابه نعل اسبي مي¬شود. همچنين مشاهده مي¬شود كه ساختار جريان بر روي سطح آزاد سيلندر به شدت تابع نسبت شعاع انحنا سطوح جانبي است. نتايج شبيه سازي-هاي عددي در عدد رينولدز 1000 نير در اين پژوهش با دو هدف انجام شده است. اول آن كه تاثير عدد رينولدز بر ساختار-هاي جريان بررسي شود و ثانياً نتايج شبيه¬سازي¬هاي LES با مرئي سازي دود مقايسه شده است. نتايج به دست آمده نشان مي¬دهد كه روش LES به خوبي مي¬تواند ويژگي¬هاي جريان را در مقايسه با نتايج تجربي پيش¬بيني كند.

212196

تبديل انرژي

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان

ابراهيم شيراني

مجتبي دهقان منشادي، محمدرضا توكلي، محسن ثقفيان، مسعود مددالهي

احمد سوهانكار اصفهاني