بررسی عددی انتقال حرارت جریان دوفاز گاز – ذره در رژیم لغزشی و انتقالی

با جریان های گازی رقیق شده معمولاً در جریان داخل هندسه های کوچک نظیر mems و در کاربرد های فشار پائین نظیر وسایل در حال پرواز در ارتفاعات بالا و یا در حال کار کردن در خلأ های زیاد مواجه می شویم. این جریان ها با توجه به میزان رقیق شدگیشان به رژیم های جریان متفاوتی تقسیم می شوند. در جریان گازهای رقیق دو رژیم لغزشی و انتقالی از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشند. در رژیم لغزشی برهمکنش مولکولی در نزدیکی سطح اثرات خود را نشان می دهد که با اعمال شرایط مرزی لغزشی در معادلات ناویر-استوکس قابل حل می باشند؛ اما در رژیم جریان انتقالی اثرات زیاد برهمکنش مولکولی در کل جریان موجب از اعتبار انداختن معادلات ناویر-استوکس می شود. لذا برای حل جریان در این رژیم باید از روش های مولکولی استفاده شود. با توجه به اینکه برای بررسی دقیق جریان های دو فاز گاز-جامد نیاز به داده های هیدرودینامیکی و انتقال حرارتی ذره می باشد در پایان نامه حاضر به تحلیل جریان بر روی کره سه بعدی در رژیم های لغزشی و انتقالی پرداخته ایم. در بخش اول به جهت درک هر چه بهتر تاثیرات وابستگی دمایی خواص سیال و طول مشخصه جریان بر روی نرخ انتقال حرارت، جریان حول یک میکرو کره سه بعدی و غیر مقید در رژیم لغزشی شبیه سازی شده است. شروط مرزی لغزشی اعم از سرعت لغزشی و پرش دمایی به صورت عددی در معادلات ناویر-استوکس اعمال شده و خواص سیال از قبیل چگالی، ویسکوزیته، ضریب هدایت رسانایی و طول پویش آزاد مولکولی با دما متغیر در نظر گرفته شده است. اثرات خواص متغیر و تغییرات عدد نیودسن بر روی انتقال حرارت مورد بررسی قرار گرفت و مشاهده شد که در جریانات میکرو با نرخ انتقال حرارت بالا فرض خواص ثابت، فرضی خام و ابتدایی می باشد. علاوه بر این، سرعت لغزشی و پرش دمایی اثر معکوسی بر انتقال حرارت دارند: سرعت لغزشی بزرگ بر روی سطح، انتقال حرارت جابجایی را افزایش می دهد؛ از سوی دیگر پرش دمایی بزرگ با کاهش گرادیان دما روی سطح موجب کاهش انتقال حرارت می شود. در نتیجه نادیده گرفتن پرش دمایی که در خیلی از پژوهش های گذشته مرسوم بوده است موجب تخمین بیشتری از انتقال حرارت روی سطح می شود. در بخش دوم رژیم جریان سه بعدی انتقالی ماورای صوت روی یک کره با استفاده از روش dsmc مورد مطالعه قرار گرفته است. از کد dsmcfoam به عنوان حلگر مسئله استفاده شده، مدل کره سخت متغیر برای برخورد بین مولکولی و مدل دیواره پخشی برای برخورد مولکول با سطح در نظر گرفته شده اند. بررسی گسترده و جامعی روی پارامترهای موثر برانتقال حرارت جریان در رژیم انتقالی صورت گرفته است. به عنوان مثال مشاهده شد که با افزایش عدد نیودسن نرخ انتقال حرارت کاهش یافته اما افزایش عدد ماخ انتقال حرارت بیشتری را موجب می گردد. در قسمت پایانی این تحقیق به بررسی تاثیر ارتفاع پرواز بر پارامترهای انتقال حرارتی پرداخته ایم تا تاثیر همزمان تغییرات عدد ماخ و نیودسن را در نظر بگیریم. نتایج نشان می دهد که در طی مسیر فرود وسایل پروازی ماورای صوت میزان انتقال حرارت افزایش می یابد.