مدلسازی عددی انتقال جرم و حرارت جریان دوفاز دی اکسید کربن با رژیم حلقوی

افزایش نرخ حرارت تولیدی بر واحد حجم، توسط سیستم های صنعتی متفاوت، دانشمندان را در سراسر جهان بر آن داشته تا به طراحی سیستم های موثرتر خنک کاری با بازدهی بالا بپردازند. جریان های دوفاز در سیستم های انتقال حرارت معمولا کارایی مناسبتری نسبت به جریانهای تکفاز دارند. زیرا سیال عامل در حین تغییر فاز بخش زیادی از حرارت تولیدی توسط ابزار صنعتی را بعنوان گرمای نهان دریافت می کند بدون آنکه تغییری در دمایش ایجاد گردد. در یک دهه اخیر توجه دانشمندان در میان سیال عامل های مورد استفاده به استفاده از دی اکسید کربن(r-744) معطوف شده است. این امر با توجه به دسترس پذیری ساده تر، پایین بودن پتانسیل گرمایش جهانی، ضریب انتقال حرارت بالاتر و افت فشار کمتر آن نسبت به سایر مبردهای معمول قابل توجیه است. آزمایش های محدودی در زمینه دی اکسید کربن صورت گرفته است. دی اکسید کربن بخاطر خواص ترموفیزیکی خاص، در جریان دوفاز رفتار متفاوتی از سایر مبردها نشان می دهد لذا استفاده از مدل های موجود برای شبیه سازی رفتار این سیال موفق نبوده و یک روش مدلسازی عددی بسیار مورد نیاز است. در این رساله بر آنیم تا به مدلسازی انتقال حرارت و انتقال جرم جریان دوفاز دی اکسید کربن با رژیم حلقوی بپردازیم. مدلسازی جریان دو فاز در این پروژه به دو روش عددی و تحلیلی انجام شده است. در هر دو روش جریان دوفاز به شکل سه بعدی (متقارن محوری) با در نظر گرفتن انتقال جرم و انتقال حرارت بصورت توام شبیه سازی شده است. نتایج مدل تحلیلی سپس با نتایج آزمایشگاهی موجود مقایسه شده و مورد تایید قرار گرفته اند. در جریان دوفاز با رژیم حلقوی چهار مکانیزم انتقال جرم وجود دارد این مکانیزمها شامل انتقال جرم تبخیری، چگالش، ته نشینی و قطره ای است. دو مکانیزم اول با استفاده از بالانس انرژی محاسبه می شود. یک مدل جامع برای شبیه سازی انتقال جرم قطره ای در جریان حلقوی در این پروژه ارائه می شود. این مدل بر مبنای فیزیک حاکم بر پدیده انتقال جرم قطره ای است و در این زمینه از ارزش بالایی برخوردار است. شبیه سازی انتقال جرم ته نشینی نیز با استفاده از تئوری دینامیک مولکولی صورت می گیرد. مدلسازی عددی جریان و انتقال حرارت در این پروژه ترکیبی از شبیه سازی جریان جوشش در فیلم مایع و مدلسازی فصل مشترک دوفاز مایع و بخار در جریان حلقوی است. شبیه سازی پدیده جوشش در ناحیه فیلم مایع توسط دو مدل میکسچر و دمش-مکش صورت می گیرد در حالیکه ناحیه کلی جریان دوفاز با استفاده از مدل کسر حجمی شبیه سازی می شود. تعقیب فصل مشترک مایع و بخار نیز با استفاده از ترکیب دو مدل کارآمد کسرحجمی و لول ست صورت می گیرد. مدل عددی ارائه شده درنهایت توسط مدل تحلیلی که پیشتر توسط نتایج آزمایشگاهی معتبر شده بود و نیز نتایج تجربی موجود صحه گذاری می گردد. در این پروژه در نظر گرفتن کلیه مکانیزم های انتقال جرم در کنار شبیه سازی عددی جریان و انتقال حرارت دوفاز در رژیم حلقوی برای اولین بار صورت گرفته است. علاوه بر این یک مدل نو و جامع جهت شبیه سازی انتقال جرم قطره ای ارائه شده که بدلیل عدم وابستگی به نوع سیال عامل و شرایط کارکرد از اهمیت بالایی برخوردار است. شبیه سازی پدیده جوشش و در نظر گرفتن جریان حبابی در ناحیه فیلم مایع جریان حلقوی از دیگر نوآوری های این پروژه محسوب می شود. پروژه حاضر در شش فصل ارائه می شود. بدین منظور پس از ارائه یک مقدمه کوتاه در فصل اول به بررسی و مقایسه برخی از فعالیت های انجام شده در زمینه جریان های دوفاز در فصل دوم پرداخته می شود. فصل سوم به شبیه سازی امواج فصل مشترک مایع و بخار جهت مدلسازی انتقال جرم قطره ای می پردازد. در فصل چهارم یک مدل تحلیلی برای شبیه سازی جریان دوفاز با رژیم حلقوی ارائه شده است. فصل پنجم بطور کامل به شبیه سازی عددی جریان و انتقال حرارت و جرم رژیم حلقوی اختصاص داده شده است. در نهایت در فصل ششم به بررسی نتایج حاصل از مدلسازی و ارزیابی درستی مدل ارائه شده پرداخته می شود.