دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
اظهارنامه دانشجو
اینجانب هومن عمومی دانشجوی کارشناسی ارشد رشته مهندسی مکانیک-تبدیل انرژی دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی گواهی می‌نمایم که تحقیقات ارائه شده در پایاننامه با عنوان:
مدل‌سازی جریان و انتقال حرارت دو فاز در لوله گرمایی با صفحات لانه‌زنبوری
با راهنمایی اساتید محترم جناب آقای دکترسیروس آقانجفی و آقای دکتر محمدرضا شاه‌نظری توسط شخص اینجانب انجام شده است. صحت و اصالت مطالب نگارش شده در این پایاننامه مورد تأیید می‌باشد. در مورد استفاده از کار دیگر محققان به مرجع مورد استفاده اشاره شده است. به علاوه گواهی می‌نمایم که مطالب مندرج در پایاننامه تاکنون برای دریافت هیچ نوع مدرک یا امتیازی توسط اینجانب یا فرد دیگری در هیچ جا ارائه نشده است و در تدوین متن پایاننامه چارچوب (فرمت) مصوب دانشگاه را به طور کامل رعایت کرده‌ام.
امضاء دانشجو:
تاریخ:
حق طبع، نشر و مالکیت نتایج
۱- حق چاپ و تکثیر این پایاننامه متعلق به نویسنده و استاد/استادان راهنمای آن می‌باشد. هرگونه تصویربرداری از کل یا بخشی از پایاننامه تنها با موافقت نویسنده یا استاد/استادان راهنما یا کتابخانه دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی مجاز می‌باشد.
۲- کلیه حقوق معنوی این اثر متعلق به دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی می‌باشد و بدون اجازه کتبی دانشگاه به شخص ثالث قابل واگذاری نیست.
۳- استفاده از اطلاعات و نتایج موجود پایان نامه بدون ذکر مرجع مجاز نمی‌باشد.
چکیده
استفاده از لوله گرمایی برای صفحات لانه‌زنبوری در این پایاننامه بررسی شده است. در این راستا توزیع دما در دیواره لوله گرمایی استوانه‌ای استخراج‌شده و برای سه سیال به‌طور جداگانه موردبررسی و مقایسه قرار گرفته است. امروزه صفحات لانه‌زنبوری به دلیل دارا بودن نسبت سختی به جرم بالا کاربردهای گسترده‌ای در صنایع فضایی و سازه‌های ماهواره‌ای یافته‌اند. یکی از مهم‌ترین مشخصه‌های طراحی ماهواره کنترل دمای آن و جلوگیری از به وجود آمدن نقاط گرم در آن است که این مورد نیاز به هدایت گرمایی مناسبی را برای سازه‌های استفاده‌شده در ماهواره طلب می‌کند. علی‌رغم مزیت ذکرشده برای صفحات لانه‌زنبوری، این صفحات ازنقطه‌نظر هدایت گرمایی ضعیف هستند و بنابراین نیاز به طراحی سازوکار مناسبی جهت کنترل دما در این سازه‌ها وجود دارد. یکی از راهکارهای افزایش هدایت گرمایی استفاده از لوله گرمایی در این صفحات است. لوله‌های گرمایی به‌طور گسترده در میکروالکترونیک، ذخیره انرژی گرمایی و تهویه استفاده‌شده و حل مدل تحلیلی آن موجود و قابل پیاده‌سازی است. پیاده‌سازی لوله‌های گرمایی در صفحات لانه‌زنبوری اشاره‌شده با در نظر گرفتن مشخصات منحصربه‌فرد آن و حل مدل ریاضی آن به‌منظور کنترل دما هدف از انجام این پایاننامه است. به این منظور ابتدا معادلات حاکم ریاضی که منجر به معادلات دیفرانسیل پاره‌ای می‌شود، برای حل دوبعدی و سه‌بعدی به دست می‌آیند. به‌منظور پیاده‌سازی این معادلات برای صفحه لانه‌زنبوری لازم است تا شرایط مرزی مطابق با شرایط این صفحات تعیین گشته تا معادلات ذکرشده در این شرایط محیطی حل گردند. نهایتاً به‌منظور حل معادلات دیفرانسیلی پاره‌ای با شرایط مرزی مشخص‌شده، روش حل عددی Coupled و SIMPLEC پیشنهاد و پیاده‌سازی شده است و پس از اطمینان از صحت مدل‌سازی‌ها، مابقی نتایج شبیه‌سازی به کمک آنالیز مقایسه‌ای در محیط نرم‌افزار راستی آزمایی شده‌اند. نتیجه شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد که کاهش تخلخل در صفحه لانه‌زنبوری منجر به کاهش اختلاف دما می‌شود. همچنین تغییر پوشش روی صفحه لانه‌زنبوری و افزایش ضریب صدور در کاهش حداکثر دمای صفحه لانه زنبوری از تغییر جرم کل صفحات تاثیرگذارتر است.
واژه‌های کلیدی: صفحات ساندویچی لانه‌زنبوری، لوله‌های گرمایی، شبیه‌سازی عددی، کنترل دما.
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فهرست جداول ذ
فهرست شکل‌ها ر
فهرست علایم و اختصارات س
فصل ۱- مقدمه ۱
۱-۱- مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………………………..۱
۱-۲- شرح موضوع ۲
۱-۳- اهمیت موضوع ۴
۱-۴- مرور ادبیات موضوع ۴
فصل ۲- تئوری و معادلات حاکم ۲۱
۲-۱- مقدمه… ۲۱
۲-۲- لوله گرمایی ۲۱
۲-۲-۱- محدودیت فتیله ۲۶
۲-۲-۲- محدودیت کشیدگی ۲۷
۲-۲-۳- محدودیت صوتی ۲۷
۲-۲-۴- محدودیت جوشش ۲۸
۲-۳- محیط متخلخل ۲۹
۲-۳-۱- جریان سیال تک فاز و انتقال ۳۰
۲-۳-۲- بقای جرم سیال ۳۰
۲-۳-۳- قانون دارسی ۳۱
۲-۴- معادلات حاکم بر لوله گرمایی ۳۱
۲-۴-۱- معادله مایع-فتیله ۳۲
۲-۴-۲- فصل مشترک مایع-بخار ۳۳
۲-۴-۳- منطقه بخار ۳۵
۲-۴-۴- معادله انرژی ۳۵
۲-۵- صفحات ساندویچی لانه‌زنبوری ۳۶
۲-۵-۱- ساختارهای لانه‌زنبوری ۳۷
۲-۵-۲- هسته لانه‌زنبوری ۳۸
۲-۵-۳- کاربردهای ساختارهای ساندویچی ۳۸
۲-۵-۴- هدایت در صفحات لانه‌زنبوری ۳۸
فصل ۳- روش مدل‌سازی ۴۰
۳-۱- مقدمه ……………………………………………………………………………………………………………………………………..۴۰
۳-۲- هندسه ل
و
له گرمایی و محدوده محاسبه ۴۰
۳-۳- شرایط مرزی و خواص سیال کاری ۴۰
۳-۴- روش حل ۴۳
۳-۵- الگوریتم حل ۴۴
۳-۶- معیار همگرایی ۴۴
۳-۷- مدل صفحات لانه‌زنبوری ۴۴
۳-۸- هندسه مسئله ۴۵
۳-۹- الگوریتم حل ۴۶
۳-۱۰- شرایط مرزی ۴۶
فصل ۴- روش حل با نرم‌افزار ۴۷
۴-۱- تنظیمات لازمه برای حل قسمت اول ۴۷
۴-۲- تنظیمات لازمه برای حل مسئله لانه‌زنبوری ۵۱
فصل ۵- نتایج ۵۵
۵-۱- مقدمه………… ۵۵
۵-۲- بررسی شبکه تولیدشده لوله گرمایی ۵۵
۵-۳- ارزیابی شبیه‌سازی ۵۶
۵-۴- حل مسئله برای سیالات مختلف ۵۷
۵-۵- نتایج به‌دست‌آمده برای صفحات لانه‌زنبوری به همراه لوله گرمایی ۶۲
۵-۵-۱- بررسی تأثیر ضریب جابه‌جایی بر دمای صفحات لانه‌زنبوری ۶۷
فصل ۶- نتیجه‌گیری و پیشنهادها ۷۱
۶-۱- پیشنهادها ۷۲
فهرست منابع و مآخذ ۷۳
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول ۲ ۱ محدوده دما و شار گرمایی برای سیالات کاری و دیواره لوله ]۴۳[ ۲۴
جدول ۲ ۲ پارامترهای معمول فتیله لوله گرمایی ]۴۳[ ۲۵
جدول ۲ ۳ ابعاد لوله گرمایی ۴۰
جدول ۲ ۴ خواص سیالات کاری استفاده‌شده در دمای۵۰ درجه سانتی‌گراد ۴۲
جدول ۲ ۵ مشخصات صفحه لانه‌زنبوری شبیه‌سازی‌شده ۴۵
جدول ۲ ۶ ابعاد لوله گرمایی در صفحه لانه‌زنبوری ۴۵
جدول ۲ ۷ خواص سیال کاری آمونیاک در ۱۷ درجه سانتی‌گراد ۴۵
جدول ۵ ۱ خواص آب در ۷۶ درجه سانتی‌گراد ۵۶
جدول ۵ ۲ اختلاف دما در دو سر لوله گرمایی و افت فشار در ناحیه مایع-فتیله برای سیالات مختلف ۶۲
جدول ۵ ۳ مقدار تخلخل متناظر با هدایت‌های گرمایی ۶۶
جدول ۵ ۴ حداکثر دما برای ضریب جابه‌جایی‌های مختلف ۷۰
فهرست شکل‌ها
عنوان صفحه
شکل ۱ ۱ قسمت‌های مختلف یک لوله گرمایی ]۴۳[ ۲
شکل ۱ ۲ لوله گرمایی حلقوی ]۱۹[ ۲
شکل ۱ ۳ لوله گرمایی داخل صفحه لانه‌زنبوری ۴
شکل ۲ ۱ ضریب M برای سیالات مختلف]۴۳[ ۲۶
شکل ۲ ۲ محدودیت‌های لوله گرمایی]۴۳[ ۲۸
شکل ۲ ۳ حجم میانگین‌گیری شده]۴۳[ ۳۰
شکل ۲ ۴ نمایی از صفحه ساندویچی با هسته لانه‌زنبوری ]۴۱[ ۳۷
شکل ۲ ۵ هسته لانه‌زنبوری ۳۸
شکل ۲ ۶ جهت جانبی و عرضی ]۴۴[ ۳۹
شکل ۲ ۷ وضعیت قرارگیری مرزها در محدوه حل ۴۱
شکل ۲ ۸ شرایط مرزی مدل ۴۱
شکل ۲ ۹ شرایط مرزی و هندسه حل برای مدل صفحه لانه‌زنبوری ۴۴
شکل ۴ ۱ منوی معرفی و تعیین خواص مواد ۴۸
شکل ۴ ۲ منوی Cell Zone Condition ۴۸
شکل ۴ ۳ تعیین شرط مرزی Mass Flow Rate برای ورود به ناحیه بخار ۴۸
شکل ۴ ۴ شرط مرزی Mass Flow Inlet برای خروج از ناحیه بخار ۴۹
شکل ۴ ۵ چگونگی انتخاب روش حل ۴۹
شکل ۴ ۶ تنظیمات لازم برای ناحیه فتیله ۵۰
شکل ۴ ۷ تعیین خواص برای هسته لانه‌زنبوری ۵۱
شکل ۴ ۸ ماتریس تعیین مقدار هدایت گرمایی ۵۲
شکل ۴ ۹ شرایط مرزی برای صفحه لانه‌زنبوری ۵۲
شکل ۴ ۱۰ انتخاب نوع شرط مرزی ۵۳
شکل ۴ ۱۱ تعیین شرط مرزی عایق ۵۳
شکل ۴ ۱۲ قرار دادن شرط مرزی جابه‌جایی ۵۴
شکل ۵ ۱ بررسی استقلال از شبکه برای مدل به‌دست‌آمده ۵۵
شکل ۵ ۲ مقایسه نتایج به‌دست‌آمده با نتایج تجربی ۵۷
شکل ۵ ۳ تغییرات فشار در ناحیه بخار ۵۷
شکل ۵ ۴ نمودار افت فشار در ناحیه مایع برای آمونیاک ۵۸
شکل ۵ ۵ نمایش بردار سرعت در ناحیه بخار برای آمونیاک ۵۸
شکل ۵ ۶ نمودار تغییرات سرعت در ناحیه بخار برای آمونیاک ۵۹
شکل ۵ ۷ نمودار تغییرات دما در دیواره لوله گرمایی برای آمونیاک ۵۹
شکل ۵ ۸ نمودار دمای دیواره لوله گرمایی با سیال استون ۶۰
شکل ۵ ۹ نمودار فشار در ناحیه مایع-فتیله برای استون ۶۰
شکل ۵ ۱۰ نمودار دما در دیواره لوله گرمایی برای آب ۶۱
شکل ۵ ۱۱ نمودار فشار در ناحیه مایع-فتیله برای آب ۶۱
شکل ۵ ۱۲ کانتور دما برای صفحه لانه‌زنبوری با هدایت گرمایی ۱ w/m k ۶۳
شکل ۵ ۱۳نمودار دما در دیواره لوله گرمایی برای هدایت گرمایی ۱w/m k ۶۳
شکل ۵ ۱۴ کانتور دما برای صفحه لانه‌زنبوری با هدایت گرمایی ۲.۵ w/m k ۶۴
شکل ۵ ۱۵ نمودار دما در دیواره لوله گرمایی برای هدایت گرمایی ۲.۵ w/m k ۶۴
شکل ۵ ۱۶ کانتور دما برای صفحه لانه‌زنبوری با هدایت گرمایی ۵ w/m k ۶۵
شکل ۵ ۱۷ نمودار دما در دیواره لوله گرمایی برای هدایت گرمایی ۵w/m k ۶۵
شکل ۵ ۱۸ نمودار اختلاف دما برحسب هدایت گرمایی ۶۶
شکل ۵ ۱۹ نمودار اختلاف دما برحسب تخلخل ۶۷
شکل ۵ ۲۰ کانتور دما برای صفحه لانه‌زنبوری با ضریب جابه‌جایی ۰.۷۶w/m2 K ۶۷
شکل ۵ ۲۱ نمودار دمای دیواره لوله گرمایی برای ضریب جابه‌جایی ۰.۷۶w/m2 K ۶۸
شکل ۵ ۲۲کانتور دما برای صفحه لانه‌زنبوری با ضریب جابه‌جایی۱.۰۳ w/m2 K ۶۸
شکل ۵ ۲۳ نمودار دمای دیواره لوله گرمایی برای صفحه لانه‌زنبوری با ضریب جابه‌جایی ۱.۰۳w/m2 K ۶۹
شکل ۵ ۲۴ کانتور دما برای صفحه لانه‌زنبوری با ضریب جابه‌جایی۱.۱۷ w/m2 K ۶۹
شکل ۵ ۲۵ نمودار دمای دیواره لوله گرمایی برای صفحه لانه‌زنبوری با ضریب جابه‌جایی ۱.۱۷ w/m2 K ۷۰
فهرست علایم و اختصارات
عنوان علامت اختصاری
A_i (m2) مساحت فصل مشترک
C_l (J/kg K) گرمای ویژه فاز مایع
C_v (J/kg K) گرمای ویژه فاز بخار
d_w (m) قطر سیم
D_h (m) قطر هیدرولیکی
h_0 (J/kg) آنتالپی ویژه کل
h_fg (J/kg) گرمای نهان تبخیر
h_ext (w/m2k) ضریب انتقال گرما
i (kJ) انرژی داخلی
k_eff (w/m k) هدایت گرمایی موثر فتیله اشباع
K (m2) نفوذپذیری
k_c (w/m k) ضریب هدایت گرمایی هسته لانه‌زنبوری
k_l (w/m k) هدایت حرارتی مایع
k_m (w/m k) ضریب هدایت گرمایی فلز لانه‌زنبوری
k_s (w/m k) ضریب هدایت گرمایی جامد
k_v (w/m k) ضریب هدایت گرمایی بخار
k_w (w/m k) هدایت حرارتی فتیله
L_a (m) طول قسمت آدیاباتیک
L_c (m) طول قسمت چگالنده
L_e (m) طول قسمت تبخیرکننده
m ̇_i (kg/s) نرخ جریان جرمی در فصل مشترک
m ̇_(i,e) (kg/s π) نرخ جریان جرمی در واحد رادیان در قسمت تبخیرکننده در فصل