عنوان پایان‌نامه
تحلیل آزمایشگاهی و عددی جریان گذرای سریع در لوله های مارپیچ با در نظر گرفتن سیالات نیوتونی و غیر نیوتونی
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک تبدیل انرژی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 66838
- تاریخ دفاع
- ۲۸ بهمن ۱۳۹۳
- دانشجو
- محسن اژدری
- استاد راهنما
- علیرضا ریاسی
- چکیده
- مطالعاتی که در زمین? چکش آبی صورت گرفته است، اغلب در لوله های مستقیم و با درنظرگرفتن سیالات نیوتنی می-باشد. حال آنکه رفتار بسیاری از سیالات واقعی که در صنعت با آن¬ها برخورد می کنیم را نمی توان با مدل نیوتنی تشریح کرد. همچنین به دلیل ویژگی های خاص لوله های هلیکال و استفاده ی گسترده ای که از این لوله ها در صنعت مبدلها و راکتورها میشود، مطالع? فیزیک جریان گذرای سریع غیرنیوتنی در لوله های هلیکال، از اهمیت ویژه ای در این صنایع برخوردار است. در این پایان نامه، پدید? جریان گذرا در لوله های هلیکال با درنظرگرفتن سیال غیرنیوتنی به صورت عددی و آزمایشگاهی بررسی شده است. در حل عددی برای تشریح رفتار سیال غیرنیوتنی، مدل سیال توانی رقیق شوند? برشی بکارگرفته شده است. با توجه به وقوع جریان گذرای سریع در لوله، خاصیت الاستیک لوله و تراکم پذیری سیال با تصحیح مدول بالک سیال توسط کد UDF اعمال شده است. برای مطالع? آزمایشگاهی از دستگاه مدار تستی با لول? هلیکال استفاده شده است. محلول های پلیمری مورد آزمایش با افزودن پلیمر پلیئ اکریل آمید به آب بدست آمده اند. با بستن ناگهانی شیر مغناطیسی انتهای لوله، جریان گذرای سریع در لوله اتفاق میافتد. نتایج عددی آشکار می کند که کاهش شاخص توانی سبب می شود که پروفیل های ناپایای سرعت، انرژی جنبشی آشفتگی و نرخ اضمحلال انرژی جنبشی آشفتگی به سمت دیواره نزدیک تر شود و جریان برگشتی قوی تری ایجاد شود. همچنین قدرت جریان های ثانویه بیشتر شود و نرخ میرایی ارتفاع فشاری سیستم و تنش برشی کاهش یابد. در سیال با شاخص توانی 6/0، مقدار پیک سوم ارتفاع فشاری بی بعد شده در انتهای لوله %10 بیشتر از سیال نیوتنی می باشد. همچنین نتایج نشان می دهد که عدم تقارن جریان در لوله های هلیکال سبب می شود که مقادیر گرادیان های سرعت در سمت داخلی و بیرونی لوله متفاوت باشد و در طول پدید? چکش سیال، ناحی? جریان برگشتی قوی، دائماً بین دو سمت داخلی و بیرونی لوله جابجا شود. نرخ میرایی تنش برشی دیواره در جریان داخل لول? هلیکال نیز بیشتر از جریان داخل لول? مستقیم می باشد. بررسی های آزمایشگاهی نیز نشان می دهد که با افزایش غلظت پلیمر، اثر رقیق شوندگی برشی محلول پلیمری زیاد میشود و به تبع آن سرعت میرایی فشار انتهای لوله در طول پدید? جریان گذرای سریع، کم می-شود. در دبی 400 لیتر در ساعت، فشار پیک سوم انتهای لوله برای محلول هایی با غلظت 500 و 750 قسمت در میلیون، بترتیب %9/4 و %0/10 بیشتر از سیال نیوتنی میباشد. در ضمن نمودار فشار بر حسب زمان، نسبت به سیال نیوتونی دچار تأخیر فاز بیشتری میشود. کلمات کلیدی: چکش آبی، لول? هلیکال، جریان ثانویه، سیالات غیرنیوتونی، مدل سیال توانی
- Abstract
- Most of previous studies on the water-hammer field have been done through the straight pipes considering Newtonian fluids. However, the behavior of real fluids, dealt with in industry, cannot be investigated by Newtonian model. Also, due to the specific characteristics of helical tubes and widespread usage in industry, study of transient flow behavior of non-Newtonian fluids in the helical tubes plays an important role in exchangers and reactors industries. In this thesis, we investigate the fast transient flow of a non-Newtonian fluid in helical pipes numerically and experimentally. In the numerical simulation, Shear-thinning Power-law model is used for predicting the non-Newtonian fluid behavior. Due to the occurrence of the fast transient flow in pipes, tubes elasticity and fluids compressibility have been considered by modified bulk module of the fluid, which is developed using a User-Defined-Function (UDF) code. Moreover, experimental investigation has been conducted using a test circuit, containing the helical pipe, and, moreover, the polymer solutions are made by adding the polyacrylamide to water. The fast transient flow is produced by sudden closure of a magnetic valve at the end of the pipe. Regarding the numerical results, it has been proved that the profiles of unsteady velocity, turbulent kinetic energy, and dissipation rate of turbulent kinetic energy would close to the wall and generate a strong reverse flow as a result of decreasing the power index. Additionally, increasing the strength of secondary flows and decreasing the damping rate of system pressure head and wall shear stress are the consequences of power index reduction. The third peak of dimensionless pressure head in the valve for a fluid with a power index of 0.6 would be 10% more than a Newtonian fluid. Furthermore, based on the results, the non-symmetric flow through the helical pipes would result in variation of velocity gradient between inner and outer sides of the pipe, and during the fluid-hammer phenomenon, the strong reverse flow region would change between these two sides sequentially. Damping rate of wall shear stress through the helical pipes would be greater than straight pipes. In addition, by increasing the polymer concentration, the effect of shear thinning for a polymer solution would also increase; as a consequence, damping rate of pressure head during the fast transient flow phenomenon would decrease. For the flow rate of 400 liters per hour, and solutions concentrations of 500 and 750 ppm, the third peak pressure at the end of the pipe are 4.9% and 10% more than Newtonian fluids respectively. Meanwhile, the plot of pressure versus time for polymer solution would have much more phase delay in comparison with Newtonian fluids. Keywords Water hammer, Helical pipe, Secondary flow, Non-Newtonian fluid, Power-law model
