تحلیل عددی انتقال حرارت جریان آشفته رفت و برگشتی در مبدل حرارتی موتور استرلینگ

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، مهندسی مکانیک - تبدیل انرژی، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران

2 دانشیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران

3 دانشجوی دکتری، مهندسی مکانیک - تبدیل انرژی، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران

چکیده

تحلیل جریان رفت و برگشتی به دلیل ماهیت متفاوت آن نسبت به جریان‌ یک‌جهته دارای اهمیت می‌باشد. یکی از کاربردهای مهم جریان رفت و برگشتی در مبدل موتور استرلینگ است. در این پژوهش تحلیل عددی سه بعدی جریان رفت و برگشتی در مبدل موتور استرلینگ در بازه وسیعی از دامنه بالای نوسانات جابجایی سیال (100-20) و فرکانس های بالا (130-30 هرتز) و فشار کاری سیال (5/11-25/5 بار) انجام شده است. جریان در این مبدل، تراکم‌پذیر و آشفته در نظر گرفته شده و ضمن بررسی خصوصیات جریان و تاثیر آن بر انتقال حرارت در مبدل، اثر تغییر فرکانس، دامنه جابجایی سیال، فشار کاری و نوع سیال جهت بهبود انتقال حرارت بررسی شده‌است. با این تغییرات مشخص شد که افزایش فرکانس نوسان سیال، افزایش فشار سیال و افزایش جابجایی بی بعد سیال موجب بهبود انتقال حرارت در مبدل موتور می‌شود. نتایج نشان می‌دهد که افزایش هشتاد درصدی در جابجایی بی بعد سیال، فرکانس نوسانی سیال و فشار کاری سیال به ترتیب به میزان 14، 9 و20 درصد، عدد ناسلت متوسط را افزایش می‌دهد. مشخص می‌شود که با جایگزینی گاز هیدروژن به جای هلیوم، 48 درصد به عدد ناسلت متوسط افزوده می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Richardson EG, Tyler E (1929) The transverse velocity gradient near the mouths of pipes. Proc Phys Soc Lond 42: 1-15.

[2] Simon TW, Seume JR (1988) A survey of oscillating flow in Stirling engine heat exchangers. NASA Contractor Report 182108.

[3] Uchida S (1956) The pulsating viscous flow superposed on the steady laminar motion of incompressible fluid in a circular pipe. ZAMP 7: 403-422.

[4] Iwabuchi M, Kanzaka M (1982) Experimental Investigation into Heat Transfer under the Periodically Reversing Flow Condition in a Heated Tube. J Mech Engineers 24(82): 135-139.

[5] Zhao T, Cheng P (1995) A numerical solution of laminar forced convection in a heated pipe subjected to reciprocating flow. Int J Heat Mass Tran 38(16): 3011-3022.

[6] Zhao T, Cheng P (1996) Experimental studies on the onset of turbulence and frictional losses in an oscillatory turbulent pipe flow. Int J Heat Fluid Fl 17: 356-362.

[7] Moschandreou T, Zamir M (1997) Heat transfer in a tube with pulsating flow and constant heat flux. Int J Heat Mass Tran 40: 2461-2466.

[8] Hemida H, Sabry M, Abdel-Rahim A (2002) heoretical analysis of heat transfer in laminar pulsating flow. Int J Heat Mass Tran 45: 1767-1780.

[9] Gul H, Akpinar E (2007) Investigation of heat transfer and exergy loss in oscillating circular pipes. Int Commun Heat Mass 34(1): 93-102.

[10] Xiao G et al (2014) Study on oscillating flow of moderate kinetic Reynolds numbers using complex velocity model and phase Doppler anemometer. J Appl Energy 130: 830-837.

[11] Wilcox DC (1994) Turbulence modeling for CFD. DCW Industries, Inc.

[12] هوشنگ مزدک و همکاران (1390) ارائه الگوی ریاضی دینامیکی-ترمودینامیکی موتور استرلینگ جهت بهبود بازده و توان تولیدی. فصلنامه تحقیقات موتور. 23: 72-85.

[13] Mabrouk MT, Kheiri A, Feidt M (1956) Displacer gap losses in beta and gamma Stirling engines. Energy 72: 135-144.

[14] Cheng CH, Ying J (2014) Numerical model for predicting thermodynamic cycle and thermal efficiency of a beta-type Stirling engine with rhombic-drive mechanism. Renew Energ 35(11): 2590-2601.

[15] Changzhao P, Zhou Y, and Wang J (2014) CFD study of heat transfer for oscillating flow in helically coiled tube heat-exchanger. Comput Chem Eng 69: 59-65.

[16] Kyung H, Mounir BI (1992) Laminar/turbulent oscillating flow in circular pipes. Int J Heat Fluid Fl 13(4).

[17] مهدی صنیعی نژاد (1388) مبانی جریان­های آشفته و مدل­سازی آن­ها، نشر دانش­نگار.

[18] Wang C, Zhang N (2005) Numerical analysis of heat transfer in pulsating turbulent flow in a pipe. Int J Heat Mass Tran 48: 3957-3970.

[19] Ismael JO, Cotton MA (1996) Calculations of wall shear stress in harmonically oscillated turbulent pipe flow using a low-Reynolds-number k–e model. J Fluid Eng-T ASME 118(1): 189-194.

[20] Launder BE, Spalding DB (1974) The Numerical Computation of Turbulent Flows. Comput Method Appl M 3: 269-289.

[21] Guo LJ et al (2002) Transient convective heat transfer of water flow in a tube under pressure drop type oscillations. Int J Heat Mass Tran 45: 533-542.