مدل سازی و تحلیل انتقال حرارت جابجایی ترکیبی در جریان آشفته سیال فوق بحرانی در یک لوله عمودی

با وجود گذشت بیش از نیم قرن از مطالعه جریان سیالات فوق بحرانی هنوز ابهام های فراوانی پیرامون این پدیده فیزیکی پیچیده وجود دارد. خواص سیال در نزدیکی ناحیه بحرانی ترمودینامیکی به شدت متغیر است و تاثیر نیروهای شناوری خیلی بیش از آنچه است که در جریان های معمولی شاهد آن هستیم. از این رو، در شرایط فوق بحرانی امکان وقوع دو رژیم کاملاً متفاوت، بهبود و اخلال، در انتقال حرارت جابجایی وجود دارد. مدل-سازی های انجام گرفته در رژیم های بهبود انتقال حرارت، تا کنون نتایج رضایت بخشی به ارمغان آورده است. اما در رژیم های اخلال انتقال حرارت، اختلاف قابل توجهی بین نتایج شبیه سازی های عددی و داده های تجربی وجود دارد. بر اساس مطالعات انجام شده یکی از مهم ترین عوامل اصلی این اختلاف ها به شیوه مدل کردن آشفتگی جریان بر می گردد. مدل های موجود آشفتگی نوعا برای جریان های خواص ثابت توسعه یافته اند، حال آن که خواص سیال در جریان های فوق بحرانی به شدت متغیر می باشد. مدل سازی آشفتگی جریان سیالات فوق بحرانی در پژوهش حاضر مورد کنکاش قرار گرفته است. ابتدا با بهره مندی از روش های دینامیک سیالات محاسباتی یک مدل عددی برای محاسبه انتقال حرارت جابجایی در جریان آشفته سیال فوق بحرانی در یک لوله عمودی بنا نهاده شد که امکان آزمودن جریان با شرایط مختلف و بررسی تاثیر پارامترهای گوناگون را فراهم می سازد. با معاینه تعداد قابل توجهی از مدل های توربولانس موجود، نقاط ضعف آنها شناسایی شده و عملکرد آنها با یکدیگر مقایسه گردیده است. سپس با کنار هم نهادن دانش به دست آورده، بازبینی مجدد معادلات جریان آشفته، الهام گرفتن از ماهیت فیزیک جریان و لحاظ نمودن تغییرات تند خواص سیال، یک مدل k-? رینولدز پایین اصلاح شده برای استفاده در سیالات فوق بحرانی پیشنهاد شده است. علاوه بر اصلاح مدل توربولانس، تشابه بین انتقال ممنتوم و انتقال حرارت در شرایط فوق بحرانی مورد تشکیک و بازبینی قرار گرفت. این امر منجر به ارایه رابطه ای نو برای عدد پرانتل آشفته در سیالات فوق بحرانی برای اولین بار شده است. مقایسه با داده های تجربی نشان می دهد که استفاده از مدل مذکور در کد عددی، بهبود قابل توجهی در نتایج حاصل می کند. علاوه بر اصلاح مدل آشفتگی جریان، کد cfd نوشته شده به عنوان یک آزمایشگاه مجازی کارآمد مورد استفاده قرار گرفت تا فیزیک پیچیده انتقال حرارت در سیالات فوق بحرانی بهتر شناخته شود. دو دستاورد شاخص این مطالعه بدین قرار است. یکی اینکه پیرامون مکانیزم و نحوه تاثیرگذاری خواص متغیر بر رفتار سیال توضیح جدیدی ارایه گردیده است. دیگر آنکه اهمیت ویژه تحولاتی که در لایه بافر رخ می دهد مورد شناسایی قرار گرفت و روشن گردید این بخش از لایه مرزی، نقش تعیین کننده ای بر انتقال حرارت در جریان سیالات فوق بحرانی دارد.