اثر برخورد ذرات بر روی انتقال حرارت جریانهای توربولانس گاز جامد با استفاده از مدل های آماری
چکیده
اثر برخورد بین ذرات جامد در جریانهای گاز – جامد در بسیاری از موارد حتی در نسبت بارهای پایین قابل چشم¬پوشی نیست. در این پایان¬نامه برای شناخت و بررسی تاثیر و اهمیت برخورد ذرات, یک جریان مغشوش گاز- جامد رو به بالا در یک لوله عمودی با شار ثابت به روش چهارطرفه اویلرین- لاگرانژین شبیه سازی شده است. در این الگو علاوه بر در نظر گرفتن تاثیر دوفاز گاز- جامد روی هم در تبادل مومنتوم, انرژی, شدت توربولانس هیدرودینامیکی و حرارتی, تاثیر غلظت حجمی ذرات با متوسط¬گیری حجمی نیز در معادلات گاز وارد شده است. فاز گاز با الگوی جریان آشفته و حل معادلات مومنتوم و انرژی و دینامیک ذرات به صورت لاگرانژین و برخورد غیر الاستیک با روشهای مستقیم و آماری در نظر گرفته شده است. جهت بررسی تاثیر برخورد حرارتی ذرات در روش آماری عدد بی¬بعدی برای تعیین اثر پذیری حرارتی ذرات از میدان حرارتی گاز تعریف شده و یک رابطه تصادفی برای تولید مولفه اغتشاشی دما ذرات مجازی برای استفاده در روش آماری بدست آورده و نیز تابع احتمال برخورد ذرات برای برخورد حرارتی ذرات توسعه داده شده است. معادلات فاز گاز با الگوریتم سیمپل در مختصات استوانه¬ای روی یک شبکه جابجا شده حل شده¬اند. نتایج محاسباتی در مورد گاز و ذره و انرژی توربولانس گاز برای ذرات 243 و 500 و نتایج حرارتی برای ذراتی با قطر 200 با نتایج تجربی موجود مقایسه شده¬است. هدف اصلی پایان¬نامه شناخت دقیق پدیده برخورد ذرات و مشخص شدن تاثیر آن روی میدان هیدرودینامیک و حرارت هر دو فاز بخصوص در نسبت بارهای بالا که سرعت برنامه¬های برخورد مستقیم محدودیت دارد, است. در راستای رسیدن به این هدف، خواص مهم هر دو فاز از قبیل پروفیل¬های سرعت, دما, شدت انرژی توربولانس هیدرودینامیکی و حرارتی گاز, شدت اغتشاشات هیدرودینامیکی و حرارتی ذره و توزیع غلظت شعاعی ذرات در مدل¬های برخورد مستقیم و آماری در نسبت بارها, قطرها و رینولدزهای مختلف مقایسه شده¬اند. پس از اطمینان از دقیق بودن روش آماری, (که سرعت بیشتری از روش برخورد مستقیم دارد) از آن برای استخراج داده¬ها در نسبت بار بالا استفاده شده¬است. بررسی خواص حرارتی ذرات یک جریان آشفته برای ذراتی با چگالی و ظرفیت حرارتی-های مختلف شبیه سازی و نتایج مقایسه شده¬اند. برای بررسی افزایش شدت انرژی توربولانس در جریانهای با قطر ذره بالا از ترم منبع مدرن برای معادله انرژی توربولانس استفاده و برای معادله مقیاس زمانی توربولانس رابطه ترم منبع براساس ترم منبع کلاسیک استخراج و نتایج با ترم منبع کلاسیک مقایسه شده است. نتایج نشان می¬دهد که برخورد ذرات تاثیر قابل ملاحظه¬ای بر مسیر حرکت ذرات می¬گذارد. در نسبت بارهای نسبتا پایین توزیع شعاعی سرعت و دمای ذرات و سرعت گاز در اثر برخورد یکنواخت¬تر می¬شود. برخورد ذرات در نسبت بارهای کم سبب کاهش عدد ناسلت و در نسبت بارهای بالا سبب افزایش ناسلت می¬شود. ولی بطور کلی اثر برخورد ذرات روی میدان هیدرودینامیکی بسیار بیشتر از میدان حرارتی است. ذرات به لحاظ هیدرودینامیکی بیشتر از برخورد تاثیر می¬پذیرند تا از جریان ولی در میدان حرارتی ذرات بیشتر از میدان حرارتی پیروی می¬کنند و با این واقعیت که تمام ذراتی که با فرض جسم تکدما بررسی می¬شوند, در محدوده ذرات کوچک به لحاظ حرارتی محسوب می¬شوند, همخوانی کامل دارد. بنابراین استفاده از ترم منبع کلاسیک برای معادله انرژی توربولانس حرارتی درست است. کاهش ظرفیت حرارتی ذرات سبب افزایش شدت اغتشاشات حرارتی, دمای سیال و ذره می¬شود. کاهش چگالی ذرات سبب افزایش شدت اغتشاشات حرارتی, دمای سیال و ذره می¬شود. استفاده از ترم منبع مدرن کوپل کننده ذرات و انرژی توربولانس, افزایش توربولانس هیدرودینامیکی را بخوبی پیش¬بینی می¬کند. همچنین افزایش تاثیرات حرارتی ذرات بر سیال پیش بینی می¬کند.