بررسی و بهینه سازی دبی هوای عبوری از درون یک کانال قائم تحت شرایط مرزی حرارتی مختلف

نحوه طراحی سیستم های تهویه مطبوع یکی از عوامل تاثیرگذار در بهینه سازی مصرف انرژی در ساختمان های مسکونی و تجاری است. یک روش انجام تهویه طبیعی استفاده از نیروی شناوری است. در این تحقیق جداره های داخلی یک کانال قائم بطور مشخص در دمای بیشتر از دمای هوا در یک محیط قرار داده شده است. این اختلاف دما باعث ایجاد نیروی شناوری و در نتیجه جابجا شدن هوا از درون کانال قائم می گردد. موقعیت هیتر روی کانال، شدت و تمرکز انتقال حرارت، پارامترهای هندسی مربوط به کانال و هیتر می تواند در میزان دبی هوای جابجا شده موثر باشد، که ضمن بررسی اثرات این پارامترها شرایط بهینه مورد بررسی قرار می گیرد تا در آن شرایط با حداقل گرمای مصرف شده دبی هوای بیشتری جابجا شود. شرایط ورودی سرعت و دما ثابت در نظر گرفته شده است و فشار محیط نیز بطور هیدرواستاتیک در دمای محیط، ثابت فرض شده است. معادلات مربوط به جریان با تقارن محوری از درون این لوله قائم با استفاده از تقریب بوزینسک، خواص فیزیکی ثابت، فشار ثابت در جهت شعاعی و جریان پایدار در نظر گرفته شده است. برای این منظور، یک تحلیل عددی برای بررسی چنین جریانی درون یک لوله قائم بکار گرفته شده است. در کد نوشته شده برای حل این مسئله، ابتدا معادله انرژی با روش اختلاف محدود تقریب شده است. با استفاده از اطلاعات سطح مقطع ورودی، توزیع دما در سطح مقطع دوم از طول لوله بدست آورده شده است. با تقریب مشابه در معادله ی بقای اندازه حرکت، توزیع مولفه محوری سرعت حاصل شده است. با استفاده از یک معادله اضافی که بقای جرم در هر مقطع از لوله را بطور ضمنی مطرح می کند، مقدار فشار در مقطع جدید نیز همزمان با مولفه¬های محوری سرعت برآورد شده است. در نهایت به کمک معادله پیوستگی، مولفه¬های شعاعی سرعت تعیین می شود. بر اساس نتایج حاصل از این مطالعه، با متمرکز شدن شار حرارتی در قسمت ورودی لوله قائم، دبی جریان عبوری از لوله افزایش می یابد. با فاصله گرفتن موقعیت شار حرارتی از ابتدای لوله و نیز پخش آن روی یک سطح کوچکتر کاهش دبی جرمی عبوری را به همراه دارد. همچنین افزایش طول و قطر لوله موجب افزایش دبی عبوری از لوله می شود اما روند افزایشی دبی با افزایش زیاد طول لوله کاهش یافته و به مقدار ثابتی میل می-کند. همچنین به منظور اطمینان از صحت نتایج حل عددی، یک مدل آزمایشگاهی از این سیستم ساخته شده که تطابق خوبی بین نتایج حاصل از آن با نتایج تئوری مشاهده شده است.