عنوان پایان‌نامه
طراحی معکوس جت هم محور جهت دستیابی به یکنواختی شار حرارتی روی قطعه
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک تبدیل انرژی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 2867;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 66618
- تاریخ دفاع
- ۱۹ شهریور ۱۳۹۳
- دانشجو
- محمدعلی بیجارچی
- استاد راهنما
- فرشاد کوثری
- چکیده
- تولید شار حرارتی یکنواخت به‌منظور عدم ایجاد تنش گرمایی در خنک کاری قطعات در صنعت، موضوع مهمی است که موردتوجه محققان قرارگرفته است. مسأله‌ی طراحی متغیر‌های هندسی و سیالاتی جهت دستیابی به این شار حرارتی، بد وضع بوده و یک مسأله‌ی معکوس حرارتی محسوب می‌شود. هدف این پژوهش استفاده از جت‌های هم‌محور برای ایجاد شار حرارتی یکنواخت بر روی سطح است. صفحه‌ی هدف در دمای ثابت نگه‌داشته شده و سایر سطوح عایق‌کاری شده‌اند. با توجه به تقارن محوری مسأله، معادلات حاکم در این شرایط برای حالت آرام و تراکم ناپذیر تقارن محوری نوشته‌شده‌اند و از روش حجم محدود برای گسسته سازی آن‌ها استفاده‌شده است. از شبکه‌بندی با سازمان برای حل معادلات استفاده‌شده است. حل عددی با استفاده از نتایج تجربی و عددی ارائه‌شده در هندسه‌ی مشابه صحه‌گذاری شده است. حل مسأله‌ی معکوس به کمینه کردن مقدار جذر میانگین مربع اختلاف میان توزیع عدد نوسلت محلی شعاعی (Nu_r) با عدد نوسلت یکنواخت مطلوب تبدیل‌شده است. نسبت قطر داخلی به خارجی، نسبت فاصله‌ی خروجی جت از نازل تا صفحه‌ی هدف به قطر خارجی جت، نسبت سرعت خارجی به داخلی و عدد رینولدز متغیر‌های طراحی هستند. با توجه به قابلیت روش جستجوی الگویی در یافتن نقطه‌ی مینیمم کلی، بهینه‌سازی با استفاده از این روش انجام‌شده است، سپس در اطراف مینیمم از روش مبتنی بر گرادیان استفاده‌شده است. جت هم‌محور با شرایط هندسی جدید برای بهبود تابع هدف موردبررسی قرارگرفته است و با هندسه‌ی معمول با ورودی سرعت یکنواخت و توسعه‌یافته مقایسه شده است. در هندسه‌ی جدید دو متغیر طراحی زاویه خروجی جت از قسمت خارجی و نسبت قطر داخلی به خارجی جت بیرونی به متغیر‌های طراحی اضافه‌شده است. سه حالت مذکور برای عدد نوسلت هدف 7، 10 و 13 بررسی‌شده و برای هر حالت نسبت قطر خارجی جت به قطر صفحه‌ی هدف از یک تا 3/0 کاهش‌یافته است. بر اساس نتایج به‌دست‌آمده مقدار تابع هدف در هندسه‌ی پیشنهادی برای نسبت قطر بزرگ‌تر از 6/0 به مقدار قابل‌قبول 2 درصد رسیده است و در نوسلت‌های 7 و 10 برای نسبت قطر کم به حدود نصف خطای هندسه‌ی معمول کاهش‌یافته است. با افزایش عدد نوسلت هدف میزان عدد رینولدز و فشار استاتیکی وارده بر صفحه افزایش‌یافته است. همچنین با کاهش نسبت قطر مقدار تابع هدف به‌صورت نمایی رشد می‌کند. واژه‌های کلیدی: انتقال حرارت در جت‌های برخوردی، طراحی معکوس، جت هم‌محور
- Abstract
- Generating a uniform heat flux in order to eliminating thermal stress in the industrial process is an immense of importance, so then it attracts the attention of many researchers. Designing of geometrical and flow variables to obtain uniform heat flux is an ill-posed problem, consequently it is considered as an inverse heat transfer problem. The aim of this study is to use co-axial jets for the sake of generating uniform heat flux. The target surface is preserved at a constant temperature, and other surfaces are insulated. The governing equations of this problem are considered for a laminar, incompressible, axisymmetric flow, and finite volume method discretization is used. A structured grid is implemented, and the numerical solution is validated by means of the related, previous experimental and numerical studies. In addition, grid independency is investigated. The solution of inverse problem is achieved by minimizing the root mean squares of the difference between the local Nusselt number distribution and uniform desired Nusselt number. The diameter ratio, the ratio of, the distance between nozzle outlet to target surface, to outer diameter, the velocity ratio and Reynolds number are design variables. The pattern search method is used to optimize the problem because of its capability to find the global minimum point. After that the proximity of final point from previous procedure, is searched by a gradient-based method in order to accelerate the solution. A co-axial jet with new geometry is investigated, in order to improve the objective function value. The results were compared with the usual co-axial jets, including uniform and fully developed velocity profiles. The angle of the outer velocity and the inner to outer diameter ratio of external jet, are two new design variables, added to four previous variables. Three mentioned cases for target Nusselt number =7, 10 and 13 is studied and the ratio of the outer jet diameter to the target surface diameter reduced from 1 to 0.3 in each cases. According to the results, the minimum of objective function is reduced to less than 2% for the new co-axial jet. For the little outer jet diameter to the target surface diameter ratio and target Nusselt =7, 10 the objective function of new co-axial jet is reduced to half of the usual co-axial jets’ error. By increasing the target Nusselt number, Reynolds number and static pressure on the target surface increased. In addition, it is found that the objective function is increased exponentially by decreasing the diameter ratio. Keywords: Impinging Jets, heat transfer, co-axial jet, Inverse Design, Optimization, pattern search Method,
