شبيه‌سازي عددي فرآيند جوشش هسته اي به روش رديابي جبهه

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك

دكتري

بررسي فرآيندهاي ترموديناميكي مشتمل بر تغيير فاز از جمله مسائل پيچيده در زمينه علوم مهندسي و ديناميك سيالات محاسباتي در جريان¬هاي چند فازي به شمار مي¬آيند. بدليل توانايي بالاي سيالات در تبادل مقدار زيادي از انرژي به هنگام تغيير فاز، جوشش، تبخير و چگالش به عنوان فرآيندهاي مهم و پركاربرد در صنايع مختلف محسوب مي¬شوند. از جمله مهمترين كاربردها مي¬توان به خنك كاري تجهيزات الكترونيكي، توليد و بازيابي بخار، سامانه¬هاي تهويه مطبوع و مبدل¬هاي حرارتي اشاره نمود. فرآيند جوشش رژيم‌هاي مختلفي دارد كه يكي از پركاربردترين آن‌ها جوشش هسته¬اي استخري است. علي رغم پژوهش¬هاي متعدد انجام شده تاكنون، پيش¬بيني صحيح فيزيك حاكم بر مسئله جوشش هسته¬اي استخري همواره داراي چالش بوده و ناشناخته¬هاي زيادي نيز در مورد آن همچنان وجود دارد. رساله حاضر به موضوع شبيه¬سازي و تحليل عددي جريان و انتقال حرارت در فرآيند جوشش هسته¬اي استخري اختصاص دارد. كد محاسباتي توسعه يافته مبتني بر روش رديابي جبهه است كه براي شبيه¬سازي فرآيند جوشش هسته¬اي در شرايط دوبعدي و سه بعدي بكارگرفته مي¬شود. در كنار اين موضوع و با هدف نوآوري بيشتر، اثرات مربوط به حضور ماده افزودني به عنوان يك ماده محلول در سيال پايه و موثر بر تغييرات محلي نيروي كشش سطحي به كد عددي توسعه يافته اضافه شد. فيزيك حاكم بر مسئله به صورت جريان آرام، ناپايا، دوفازي- دو جزئي، همراه با تغيير فاز و همچنين در صورت وجود ماده افزودني در سيال پايه، همراه معادلات كامل انتقال جرم جزء اضافه شده (ماده افزودني) بين سيال و سطح مشترك است. در هر گام زماني شارحرارتي روي ديواره دما ثابت در قالب عدد بي¬بعد ناسلت محلي و متوسط زماني محاسبه و گزارش مي‌شود. مدلسازي و تحليل سيكل‌هاي متوالي جوشش استخري دو و سه بعدي با و بدون در نظر گرفتن ماده افزودني، بررسي پارامترهاي بي‌بعد موثر به طور مستقل، بررسي تاثيرات مربوط به چگالي و قطر نقاط هسته‌زايي و به كارگيري روشي جديد به منظور اعمال تغييرات توپولوژيكي سطح مشترك عناوين مهمترين نوآوري‌هاي مربوط به پژوهش حاضر است. براين اساس، در بخش نتايج تاثير پارامترهاي اصلي از جمله عدد گراشف در بازه 17 تا 300، عدد پرانتل، در بازه 8/2 تا 6/8 و همين طور عدد ژاكوب در بازه 017/0 تا 050/0 مورد شبيه¬سازي و تحليل قرار گرفتند. نتايج بدست آمده گوياي تاثيرگذاري مستقيم هر كدام از پارامترهاي مذكور روي الگوي رشد و جدايش حباب¬ها، شامل اندازه حباب پس از جدايش و همين طور فركانس جدايش از سطح داغ و سرعت صعود حباب¬ها به سمت بالا است. برخي از نتايج بدست آمده به منظور صحت¬سنجي با نتايج حاصل از پژوهش¬هاي تجربي و روابط تحليلي مورد مقايسه قرار گرفتند. نتيجه مقايسات تاييد كننده دقت مطلوب كد عددي توسعه يافته و مدلسازي صورت گرفته است. مطابق با نتايج بدست آمده، افزايش عدد گراشف منجر به كاهش فركانس حباب¬هاي جدا شده از سطح گرم و همچنين افزايش قابل توجه مقدار بيشينه عدد ناسلت متوسط سطح در گذر زمان مي¬شود. افزايش قطر حباب جداشده در اين شرايط منجر به افزايش جابه¬جايي محلي سيال در پيرامون سطح گرمكن و درنتيجه افزايش عدد ناسلت متوسط سطح مي¬شود. افزايش مستقل عدد ژاكوب نيز منجر به افزايش فركانس جدايش حباب¬ها و همزمان كاهش اندازه حباب¬هاي جداشده از سطح داغ مي¬شود. برآيند اين دو در جهتي عمل مي¬كند كه نرخ كلي انتقال حرارت افزايش مي¬يابد. اين يافته هم در نتايج دو بعدي و هم در نتايج سه بعدي با چندين نقطه هسته زايي حاصل شده است. در شرايط جوشش هسته¬اي سه بعدي و به ازاي پارامترهاي بي¬بعد مشخص، افزايش قطر حباب چسبيده به سطح گرمكن تا دو برابر مقدار اوليه عدد ناسلت متوسط زماني را بيش از دو برابر افزايش مي¬دهد. نتايج بدست آمده در بخش مربوط به تاثير حضور ماده افزودني بر نرخ انتقال حرارت طي فرآيند جوشش فيلمي استخري، تاييدكننده تاثير قابل توجه آن بر تغيير الگوي رشد و جدايش حباب‌ها در مقايسه با سيال فاقد ماده افزودني است. براساس نتايج مربوطه مشخص شد كه همواره يك ميزان بهينه‌اي براي تركيب ماده افزودني و سيال پايه انتخابي وجود دارد كه در آن نرخ انتقال حرارت متوسط صورت گرفته در بازه زماني معين، بيشينه خواهد شد.

220447

تبديل انرژِي

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان