انگلیسی…………………………………………………………………………………………………………….98
 
فهرست جداول
      عنوان                                                                                                     صفحه
جدول3-1 الگوهای مختلف برای تنش برشی سیالات غیرنیوتنی مستقل از زمان………………………………… 21
جدول 3-2 ضرایب معادلات n و k بر حسب t………………………………………………………………………………… 34
 
فهرست اشكال
عنوان                                                                                                 صفحه
شكل3-1-حركت برشی آرام بین دو صفحه موازی برای سیال نیوتنی در حالت پایدار……………………………… 17
شكل3-2-طبقه بندی سیالات غیرنیوتنی………………………………………………………………………………………………. 19
شكل3-3-منحنی جریان سیالات مستقل از زمان……………………………………………………………………………………. 20
شكل3-4-منحنی لگاریتمی جریان سیال شبه پلاستیك………………………………………………………………………….. 23
شكل3-5-تغییرات ویسكوزیته –شدت برش سیالات غیرنیوتنی فاقد تنش تسلیم ……………………………………. 24
شكل 3-6-منحنی های جریان سیالات غیرنیوتنی تابع زمان در آزمایشات منفرد پایدار……………………………… 25
شكل 3-7-نمودار تغییرات ویسكوزیته نسبت به زمان سیال وابسته به زمان……………………………………………… 26
شكل 3-8 نمودار شاخص پایدار سیال K بر حسب درجه حرارت t در غلظت های مختلف……………………. 33
شكل 3-9-نمودار شاخص رفتار ساختاری سیال n بر حسب درجه حرارت t در غلظت های مختلف………. 33
شكل 4-1-چهار لوله با آرایش هم خط در معرض جریان یكنواخت با سرعت U و درجه حرارت T0……… 37
شكل 4-2- حجم كنترل برای بدست آوردن معادله پیوستگی…………………………………………………………………. 39
شكل 4-3-المانی برای بدست آوردن اصل بقاء اندازه حركت……………………………………………………………….. 41
شكل 4-4-المانی برای بدست آوردن اصل بقاء انرژی…………………………………………………………………………… 45
شكل 4-5-شبكه رسم شده در نرم افزار انسیس…………………………………………………………………………………… 52
شكل 4-6-شبكه خوانده شده در نرم افزار فلوئنت………………………………………………………………………………. 53
شكل4-7-نمودار باقیمانده در نرم افزار فلوئنت……………………………………………………………………………………. 54
شكل 4-8-تصویر خام شبكه ایجاد شده در انسیس………………………………………………………………………………. 55
شكل 4-9-تأثیر گام عرضی(SL) بر روی پروفیل سرعت در رینولدز80=Re………………………………………….. 56
شكل 4-10-میدان سرعت در اطراف چهار لوله درون مبدل…………………………………………………………………… 57
شكل 4-11-میدان فشار در اطراف چهار لوله درون مبدل حرارتی…………………………………………………………. 57
شكل 4-12-توزیع دما در مبدل حرارتی در اطراف چهار لوله درون مبدل……………………………………………….. 58
شكل 4-13-تأثیر گام عرضی (SL) بر روی خطوط همدما در رینولدز80=Re………………………………………… 59
شكل 4-14-تأثیر گام عرضی در توزیع دمای سیال درون مبدل………………………………………………………………. 60
شكل 5-1-نمای نزدیك‌تر در توزیع فشار در سرعت 1414/0 متر بر ثانیه……………………………………………… 64
شكل 5-2-نمایش توزیع فشار در اطراف چهار لوله در سرعت 1414/0متر بر ثانیه…………………………………. 65
شكل 5-3-توزیع فشار در اطراف چهار لوله در سرعت 7 متر بر ثانیه…………………………………………………….. 66
شكل 5-4-توزیع فشار در صفحه خروجی مبدل حرارتی………………………………………………………………………. 66
شكل 5-5-نمایش توزیع فشار در سرعت 14 متر بر ثانیه………………………………………………………………………. 67
شكل 5-6-توزیع دما درون مبدل در سرعت ورودی 1414/0 متر بر ثانیه………………………………………………. 68
شكل 5-7-توزیع دما در اطراف چهار لوله در سرعت ورودی 1414/0 متر بر ثانیه………………………………….. 68
شكل 5-8-توزیع دما در اطراف چهار لوله در سرعت ورودی 2449/0 متر بر ثانیه………………………………….. 69
شكل 5-9-توزیع دما در صفحه عمودی وسط مبدل حرارتی………………………………………………………………….. 69
شكل 5-10-توزیع فشار استاتیك در صفحه خروجی مبدل حرارتی……………………………………………………….. 70
شكل 5-11-توزیع دما در اطراف چهار لوله در سرعت ورودی 14 متر بر ثانیه……………………………………….. 70
شكل 5-12-توزیع سرعت در صفحه خروجی مبدل حرارتی…………………………………………………………………. 71
شكل 5-13-توزیع سرعت سیال در صفجه ورودی مبدل حرارتی…………………………………………………………… 72
شكل 5-14-توزیع سرعت سیال در صفحه عمودی وسط مبدل حرارتی (بین لوله‌های چپ و راست)……….. 72
شكل 5-15-پروفیل سرعت سیال نیوتنی در صفحه ورودی مبدل حرارتی………………………………………………. 73
شكل 5-16-پروفیل سرعت سیال نیوتنی در صفحه خروجی مبدل حرارتی…………………………………………….. 74
شكل 5-17-توزیع دما در اطراف چهار لوله درون مبدل ……………………………………………………………………….. 75
شكل 5-18-توزیع سرعت سیال در اطراف چهار لوله ………………………………………………………………………….. 75
شكل 5-19-توزیع دما در اطراف چهار لوله مبدل حرارتی…………………………………………………………………….. 76
شكل 5-20-نمودار تغییرات فشار در جابجایی بین 8-تا8 متر………………………………………………………………. 77
شكل 5-21 نمودار تغییرات مقدار سرعت در جابجایی بین 8-تا 8 متر………………………………………………….. 77
شكل 5-22-نمودار تغییرات فشار استاتیك بر حسب پاسكال(نمودار پلكانی)…………………………………………. 78
شكل 5-23 نمودار تأثیر شاخص رفتار سیال بر روی عدد ناسلت در 5=Re…………………………………………… 79
شكل 5-24-نمودار تأثیر شاخص رفتار سیال بر روی عدد ناسلت در 10=Re……………………………………….. 79
شكل 5-25-نمودار تأثیر شاخص رفتار سیال بر روی عدد ناسلت در 15=Re……………………………………….. 80
شكل 5-26-نمودار تأثیر رفتار سیال بر روی عدد ناسلت در 20=Re……………………………………………………. 80
شكل 5-27-نمودار تأثیر شاخص رفتار سیال بر روی عدد ناسلت در 50=Re……………………………………….. 81
شكل 5-28-پروفیل سرعت در ورودی لوله در 20=Re ………………………………………………………………………. 82
شكل 5-29-پروفیل سرعت قبل از لوله جلویی در 20=Re…………………………………………………………………… 82
شكل 5-30-پروفیل سرعت روی لوله جلویی در 20=Re……………………………………………………………………… 83
شكل 5-31-پروفیل سرعت بین لوله ها در رینولدز 20=Re………………………………………………………………….. 83
شكل 5-32-پروفیل سرعت روی لوله عقبی در 20=Re……………………………………………………………………….. 84
شكل 5-33-پروفیل سرعت بعد از لوله عقبی در 20=Re……………………………………………………………………… 84
شكل 5-34-تأثیر گام طولی بر روی تغییرات فشار در مركز لوله با 75=Re……………………………………………. 85
شكل 5-35-تأثیر گام عرضی بر روی تغییرات فشار در مركز لوله با 75=Re………………………………………….. 85
شكل 5-36-نمودار فشار استاتیك بر حسب پاسكال در جابجایی بین 8-تا 8 متر برای ورودی و خروجی
و point5…………………………………………………………………………………………………………………………………………. 87
شكل 5-37-نمودار فشار استاتیك بر حسب پاسكال در جابجایی 8-تا8 متر برای كل محیط پیوسته…………. 87
شكل 5-38-نمودار فشار استاتیك برحسب پاسكال در جابجایی 8-تا 8 متر برای دیواره‌های چهار لوله و دیواره مبدل و point5          88
شكل 5-39-نمودار فشار استاتیك بر حسب پاسكال در جابجایی بین 8-تا 8 متر برای ورودی تا خروجی
مبدل حرارتی…………………………………………………………………………………………………………………………………….. 88
شكل5-40-نمودار مقدار سرعت در جابجایی بین 8-تا 8 متر برای كل محیط پیوسته …………………………….. 89

شكل 5-41-نمودار مقدار سرعت در جابجایی بین 8-تا 8 متر برای ورودی و خروجی و point5………….. 89
شكل 5-42-نمودار مقدار سرعت در جابجایی بین 8-تا 8 متر برای دیواره های چهار لوله و point5……… 90
شكل 5-43 نمودار مقدار سرعت در جابجایی بین 8-تا8 متر برای ورودی تا خروجی مبدل حرارتی……….. 90
شكل 5-44-نمودار مقدار دما در جابجایی بین 8-تا 8 متر برای ورودی و خروجی و point5………………… 91
شكل 5-45-نمودار مقدار دما در جابجایی بین 8-تا 8 متر برای دیواره های چهار لوله و دیواره مبدل حرارتی
و point5…………………………………………………………………………………………………………………………………………. 91
شكل 5-46-نمودار مقدار دما در جابجایی بین 8-تا8 متر برای كل محیط پیوسته……………………………………. 92
 
چكیده:
امروزه از سیستم­های مختلفی استفاده می­شود که در آن­ها برای انتقال حرارت از جریان سیال عمود بر یک دسته لوله استفاده شده است. از جمله پرکاربردترین این سیستم­ها می­توان به مبدل­های حرارتی راکتورهای هسته­ای و خنک­کاری پره توربین اشاره کرد. در این سیستم­ها بسیاری از سیالات استفاده شده كه خواص رئولوژیکی غیرنیوتونی دارند؛ در این پژوهش به کمک دینامیک سیالات محاسباتی دو بعدی، رفتار جریان سیال غیر نیوتونی قاعده توانی در محدوده رینولدز 20 تا 50، در جریان عمود بر چهار لوله موازی بررسی شده­است. برای ایجاد هندسه و شبکه­بندی از نرم­افزار انسیس و برای حل معادلات حاکم با روش حجم محدود و تحلیل دینامیکی نتایج از نرم­افزار فلوئنت استفاده شده­است. در این پایان نامه بررسی عددی سیالات غیر نیوتنی قاعده توانی در روی دسته لوله‌های با آرایش مستطیلی و همین‌طور شرایط هیدرودینامیكی و حرارتی با شرایط مرزی دمای ثابت مورد مطالعه قرار گرفته است و لذا ضمن بررسی پارامترهای مؤثر بر میزان انتقال حرارت و افت فشار، اثرات پارامترهای رئولوژیكی سیال غیرنیوتنی در مبدل‌های حرارتی در این پایان نامه مورد توجه می‌باشد. در این راستا معادله پیوستگی، معادلات اندازه حركت، معادله انرژی همراه با معادله اساسی رئولوژیكی به طور همزمان حل شده است. نتایج حاصل از این مدلسازی نشان می‌دهد با افزایش شاخص رفتار سیال، تنش برشی زیاد شده است و انتقال حرارت زیاد می‌شود و همچنین با افزایش گام عرضی عدد ناسلت زیاد شده و باعث افزایش انتقال حرارت می‌شود. در نهایت روابط اعداد بی­بعد رینولدز و نوسلت تعیین و تاثیر پارامترهای رئولوژیکی بر رژیم جریان بررسی شد‌ه است. نتایج بیانگیر این است كه در مقادیر ثابت عدد رینولدز، با افزایش مقدار پرانتل، مقدار ناسلت افزایش می‌یابد كه علت آن كاهش ضخامت لایه مرزی گرمایی در آن سطر می‌باشد. در مقادیر ثابت عدد پرانتل با افزایش شاخص رفتار سیال مقدار ناسلت افزایش می‌یابد و در  تغییرات ناسلت ناچیز بوده و از  تغییرات ناسلت افزایش پیدا می‌كند.
 
فصل اوّل:
كلیــات
 
در علم مكانیك سیالات دو نگرش نظری و تجربی وجود دارد كه به بررسی رفتار دینامیكی سیال می‌پردازد. در نگرش نظری، هیدرودینامیك، علم مكانیك سیالات، با معادلات حركت اویلر در مورد یك سیال ایده‌آل فرضی شروع شده و تا حد قابل‌توجهی در اواخر قرن نوزدهم پیشرفت نمود. بطوریكه در مواردی جوابگوی موضوعات مكانیك سیالات بود.ولی در عرصه علم هیدرولیك كه متكی بر تجربیات آزمایشگاهی می‌باشد، علم كلاسیك هیدرودینامیك در تعارض با نتایج تجربی بوده بطوریكه با رشد تكنولو‍ژی دیگر معادلات حركت اویلر جوابگوی مسائل علمی در زمینه سیالات نبود. بدیهی است كه علت اختلاف بین نتایج هیدرودینامیك كلاسیك و علم هیدرولیك مبتنی بر تجربه، صرف نظر كردن از اصطكاك سیال می‌باشد. با ارائه معادلات حركت سیالات با اصطكاك (معادلات ناویر- استوكس[1]) راه حل حركت سیالات توام با اصطكاك با استفاده از علوم ریاضی و روش‌های عددی ارائه شده، هموار شده است. حل معادلات حاكم در مكانیك سیالات یكی از مطرح ترین مسائل در علوم مهندسی است. در ابتدا دو شاخه مختلف دینامیك سیالات با همدیگر تركیب شده و روابط زیادی بین تجربه و نظری به دست آمد و راه را برای توسعه موفقیت آمیز مكانیك سیالات باز نمود. با استفاده از اصول نظری و برخی آزمایش‌های ساده، پرانتل اثبات نموده كه جریان در اطراف یك جسم جامد را می‌توان به دو ناحیه تفكیك نمود. لایه بسیار نازك در مجاورت جسم (لایه مرزی[2]) كه در آن اصطكاك نقش مهمی دارد و ناحیه خارج از این لایه كه می‌توان از اصطكاك صرفنظر نمود. بدین ترتیب او اولین قدم را جهت یكی ساختن تئوری و عمل برداشت. در اغلب موارد فرمولبندی قوانین پایه مكانیك سیالات، به صورت معادلات دیفرانسیل جزئی[3] در می‌آید كه بیشترمعادلات به صورت دیفرانسیل پاره‌ای مرتبه دوم ظاهر می‌شوند و بنابراین در مكانیك سیالات و انتقال حرارت از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند. عموماً، معادلات حاكم در مكانیك سیالات یك مجموعه معادلات پاره‌ای غیرخطی و وابسته را ایجاد می‌كنند كه باید در یك قلمرو ناهموار با شرایط اولیه و مرزی مختلف حل شوند. در بیشتر موارد، حل تحلیلی معادلات مكانیك سیالات بسیار محدوداست. با اعمال شرایط مرزی، این محدودیت‌ها بیشتر می شود. مكانیك سیالات تجربی می‌تواند اطلاعات مورد نیاز یك میدان جریان خاص را فراهم كند. در هرحال به علت محدودیت‌های تجهیزاتی، مانند اندازه نمونه آزمایش و تجهیزات آزمایشگاهی و همچنین مشكلات ناشی از عدم تشابه كامل با میدان جریان واقعی، كسب اطلاعات آزمایشگاهی در بیشتر میدان‌های جریان غیرعملی است.
به هرحال از نتایج آزمایشگاهی برای اثبات درستی حل معادلات ریاضی استفاده می‌شود. پس در طراحی، نتایج آزمایشگاهی و نتایج محاسباتی معادلات در كنار یكدیگر بكار می‌روند. روشی كه در سال‌های اخیر رواج زیادی یافته، در واقع روش دینامیك سیالات عددی است. البته تحلیل عددی از گذشته های دور دراز مطرح بوده است. در هر حال پیشرفت های بدست آمده در امر ساخت كامپیوترها كه سبب افزایش حافظه و كارایی شده، امكان حل معادلات مكانیك سیالات را با استفاده از روش‌های عددی مختلفی فراهم كرده است. برخلاف مكانیك سیالات تجربی، شرایط جریان در ابعاد و اندازه‌های آن به راحتی قابل تغییرند تا اهداف طراحی مختلفی را بتوان برآورده كرد.]1[.
در طول سالیان اخیر، صنایع غذایی، دارویی و شیمیایی برای رفع نیازهای بشر، توسعه روز افزونی یافته‌اند. در فرآیند تولید محصولات در این صنایع، عموماً با سیالات جدیدی مواجه می‌شوند كه رفتار برشی آنها را با استفاده از روابط مربوط به سیالات نیوتنی نمی‌توان بررسی نمود. از طرفی شمار زیادی از سیالاتی كه در صنعت كاربرد داشته و دارای مشخصه «برش رقیق[4]» و«برش غلیظ[5]» می‌باشند، سیال قاعده توانی[6] نامیده می‌شود. تعدادی از این سیالات معروف در صنعت از قبیل محلول‌ها و مذاب‌های پلیمری جامدات معلق در مایعات، امولسیون‌ها و موادی كه دو خاصیت ویسكوز و الاستیك را توامان دارند و به ویسكو الاستیك‌ها معروف هستند و پلاستیك‌های گداخته شده، پلیمرها، جسم خمیر مانند و غذاها، رفتار سیال غیر نیوتنی از خود نشان می‌دهند. بررسی این سیالات موجب پیدایش علم جدیدی به نام رئولوژی شده است.
در صنایع زیادی كه از سیالات غیر نیوتنی استفاده می‌شود. از آن جمله می‌توان به صنایع تولید مانند لاستیك‌ها، پلاستیك‌ها، الیاف مصنوعی، صابون‌ها و شوینده‌ها، صنایع نفت و پتروشیمی، صنایع داروسازی، پزشكی، انرژی اتمی، كارخانه‌های سیمان، صنایع غذایی، صنایع چوب و كاغذ، مواد شیمیایی سبك و سنگین اشاره نمود. همچنین برخی از فرآیندهای صنعتی، فرآیندهای تخمیری، از قبیل فرایندهای سنگ‌های معدنی، صنایع چاپ و رنگ از سیالات غیرنیوتنی استفاده می‌شود، با توجه به كاربرد وسیعی كه سیالات غیرنیوتنی دارند میتوان به ارزش و اهمیت بررسی این سیالات پی برد.
فرآیندهای انتقال حرارت در طیف وسیعی از كاربردهای صنعتی (بیوشیمیایی، صنایع غذای، پلیمرو…) وجود دارند. مسائل مربوط به جریان آرام و انتقال حرارت با جابجایی اجباری در یك كانال در طراحی مبدل‌های حرارتی، خنك كاری سیستم‌های الكترونیكی و غیره، اهمیت بسزایی دارد. از طرفی مبدل‌های حرارتی از تجهیزات اصلی انتقال حرارت می‌باشند و بهینه‌سازی در طراحی آنان از نظر افت فشار سیال و شدت انتقال گرما برای سیالات مختلفی كه در آنها جاری هستند مورد توجه خاص علوم مهندسی می‌باشد.]1[و ]2[.
1-1-اهمیّت بررسی جریان اطراف لوله‌ها
بررسی جریان و انتقال حرارت سیالات نیوتنی و غیرنیوتنی حول یك لوله و یا یك دسته لوله از اهمیّت بسزایی برخوردار است و در بسیاری از پدیده‌های مهندسی همانند طراحی مبدل‌های حرارتی، رآكتورهای هسته‌ای و شیمیایی، پره‌های توربین و كمپرسور وغیره كاربرد دارد وسیعی دارد. به همین جهت موضوع مهمی برای تحقیق در دینامیك سیالات و انتقال حرارت گردیده است. هر كدام از دستگاه‌های فوق كاربردهای فراوانی در صنایع پتروشیمی، پلیمر، صنایع غذایی و دارویی و … خواهند داشت و واضح است كه اكثراً با یك دسته لوله سروكار خواهیم داشت كه می‌تواند آرایش‌های مختلفی داشته باشد. مثلاً در مبدل‌های حرارتی كه یكی از اجزاء مهم در نیروگاهها، صنایع فرآیندی و شیمیای، گرمایش، تهویه مطبوع، تبرید، خنك كاری سیستم‌های الكترونیكی و غیره می باشد، انتقال گرما به یا از مجموعه لوله‌های عمود بر جریان وجود دارد كه می‌تواند تولید بخار در دیگ بخار، چگالش بخار در كندانسور و سرمایش هوا در یك دستگاه تهویه مطبوع باشد. در این راستا در طراحی مبدل‌های حرارتی پارامترهای متعددی شامل ظرفیت تبادل گرما، تعداد لوله‌ها با طول و قطرهای متفاوت، ابعاد مهندسی مبدل، آرایش لوله‌ها و صفحات نگهدارنده آن و سیالاتی كه وظیفه انتقال حرارت را به عهده دارند دخالت داشته و لذا گزینه‌های مختلفی مطرح می‌گردند، بنابراین اهمیّت محاسبات و كسب نتایج كاملاً مشهود می‌باشد و در گذشته كه امكان بكارگیری روش‌های عددی میسر نبود به كمك روش‌های تجربی نتایج بدست می‌آمد. واضح است روش‌های تجربی علاوه بر اینكه محدودیتی در تعداد آزمایشات دارد از نظر اقتصادی هم مقرون به صرفه نیست. موضوع مقاله بررسی عددی انتقال حرارت سیالات غیرنیوتنی بدون تنش از روی دسته لوله‌ها با آرایش مستطیلی می‌باشد.
به علت اهمیت موضوع از چند دهه قبل كارهای زیادی در این زمینه انجام گرفته است. برخی از این مطالعات اولیه به صورت نظری و برخی دیگر به صورت تجربی می‌باشد. تقسیم بندی سیالات به انواع مختلف و رفتارهای متفاوتی كه از خود نشان می‌دهند باعث گستردگی موضوع می‌شود. با توجه به گستردگی كارهای انجام شده روی موضوع مورد بحث، وجود یك سری نقایص در آن‌ها مشهود است كه راه را برای تحقیق بیشتر باز كرده است. از مهمترین نقایص موجود می‌توان به موارد ذیل اشاره كرد:
الف) كمبود كارهای عددی و تجربی انجام شده برای سیالات غیرنیوتنی.
ب) محدود بودن اكثر كارهای انجام شده به دو شرط مرزی دیواره با شار حرارتی و دمای ثابت.
ج) استفاده از روشهای نظری در بیشتر موارد كه در نتیجه از فرض‌های ساده كننده مختلفی برای حل معادلات مربوطه استفاده شده كه این كار باعث انحراف از جواب و نتیجه واقعی می‌شود.
با توجه به موارد فوق در تحقیق حاضر سعی بر آن شده است كه با كاربرد روشی مناسب این نقایص برطرف گردند. در این تحقیق انتقال حرارت از یك سیال غیرنیوتنی قاعده توانی[8] بصورت عددی در داخل لوله بصورت كلی مورد بررسی قرار گرفته است. از این‌رو برای انجام بررسی مورد نظر از یك مبدل حرارتی با آرایش دسته لوله‌های مستطیلی با مقطع دایره‌ای استفاده شده است، در تحقق این امر با كاربرد سیال غیرنیوتنی قاعده توانی، حرارت جابجایی و چگونگی تغییرات ضریب انتقال حرارت بررسی شده است. به این ترتیب با انجام این تحقیق گامی مؤثر در جهت تكمیل كارهای گذشته برداشته و با توجه به رفتار واقعی كه سیال از خود نشان می‌دهد و اینكه سیستم عملكرد آن با كاربردهای صنعتی تا حد زیادی مشابه است می‌توان به جواب‌های حاصله اعتماد بیشتری كرد.
 
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)