جناب آقای مهندس پیام رحیم مشائی دانشجوی دکتری دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه علم و صنعت ایران، از رساله خود با عنوان « مطالعه نظری و تجربی عملکرد هیدروترمال مجاری پیچیده شده موجی شکل با هدف افزایش انتقال حرارت در مبدل های حرارتی و بهبود راندمان سیستم های انرژی »‏‎ ‎به راهنمایی جناب آقای دکتر سید مصطفی حسین علی پور در تاریخ 1404/11/18 ساعت 09:00 به صورت مجازی دفاع خواهد نمود‎.

استاد راهنما: دکتر سید مصطفی حسین علی پور

استاد مشاور: –

اساتید داور داخلی: دکتر حمید صفاری / دکتر روح الله احمدی

اساتید داور خارجی: دکتر حمید فاضلی / دکتر علی اشرفی زاده

با توجه به رشد روزافزون نیاز جوامع بشری به انرژی در سراسر جهان، ارتقای کارایی و اثربخشی سامانه‌های انرژی به ضرورتی اجتناب‌ناپذیر تبدیل شده است. در این میان، مجاری انتقال حرارت می‌توانند از دو مسیر اصلی شامل طراحی بهینه هیت‌سینک‌ها با هدف بهبود خنک‌کاری سامانه‌های انرژی و نیز توسعه مبدل‌های حرارتی کارآمد، نقش تعیین‌کننده‌ای ایفا کنند. در این رساله، مجرای پیچیده‌شده موجی به‌عنوان مولد جریان چرخشی رو‌به‌جلوی نامتقارن معرفی شده و عملکرد آن به‌صورت عددی و تجربی مورد ارزیابی جامع قرار گرفته است. به‌منظور انجام مطالعات مقایسه‌ای، هندسه‌های متداول شامل مجاری ساده، موجی و پیچیده‌شده نیز مورد تحلیل قرار گرفته‌اند. در مطالعات عددی، شرط شار حرارتی ثابت برای مجاری منفرد اعمال شد و هر دو رژیم جریان آرام و مغشوش با سیالات کاری آنیلین و آب بررسی گردید. بازه عدد رینولدز برای جریان آرام و مغشوش به‌ترتیب 200 تا 900 و ۳۰۰۰ تا ۹۰۰۰ در نظر گرفته شد. تأثیر پارامترهای کلیدی نظیر عدد رینولدز و نسبت پیچش بر مشخصه‌های هیدرودینامیکی ، حرارتی و ترمودینامیکی جریان شامل خطوط جریان، میدان سرعت ثانویه، میدان ورتیسیته، ساختارهای منسجم، توزیع تنش برشی دیواره، ضریب اصطکاک، میدان دما، عدد ناسلت، شاخص عملکرد هیدروترمال، تولید آنتروپی و بازده قانون دوم ترمودینامیک به‌صورت عددی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج شبیه‌سازی‌ها نشان داد که جریان چرخشی رو‌به‌جلوی نامتقارن، با تقویت مؤلفه‌های عرضی سرعت و ایجاد ساختارهای منسجم غیریکنواخت، منجر به یکنواخت‌تر شدن میدان دما و کاهش چشمگیر دمای دیواره نسبت به هندسه‌های متداول می‌شود. در این الگوی جریان، ذرات سیال تحت تأثیر نیروهای گریز از مرکز قرار گرفته و در مسیر حرکت رو‌به‌جلو امکان جابه‌جایی متناوب از نواحی نزدیک دیواره به مرکز مجرا و بالعکس را دارند؛ ازاین‌رو، الگوی جریان پیشنهادی گزینه‌ای کارآمد به عنوان حامل انرژی حرارتی محسوب می‌شود. نتایج عددی حاکی از آن است که جریان چرخشی رو‌به‌جلوی نامتقارن موجب افزایش عدد ناسلت به میزان 101% تا 203% در رژیم آرام و 35% تا 89% در رژیم مغشوش نسبت به مجرای ساده می‌شود، در حالی که جریان چرخشی رو‌به‌جلوی متقارن بهبود عدد ناسلت را به‌ترتیب در بازه 24% تا 149% و 10% تا 61% برای جریان آرام و مغشوش فراهم می‌کند. همچنین، هندسه پیچیده‌شده موجی باعث افزایش افت فشار به میزان 1/34 تا 3/35 برابر در جریان آرام و 1/65 تا 2/24 برابر در جریان مغشوش نسبت به هندسه ساده می‌شود، در حالی که هندسه پیچیده شده مستقیم افزایش افت فشار کمتری معادل 1/18 تا 2/10 برابر در جریان آرام و 1/24 تا 1/76 برابر در جریان مغشوش ایجاد می‌کند. شاخص عملکرد هیدروترمال در تمامی هندسه‌های اصلاح‌شده در جریان آرام با افزایش عدد رینولدز بهبود یافته، در حالی که در جریان مغشوش روندی معکوس مشاهده می‌شود؛ به‌گونه‌ای که بهترین عملکرد به‌ترتیب در Re=”900″ برای جریان آرام و در Re=”3000″ برای جریان مغشوش حاصل می‌شود. بیشترین مقدار این شاخص در تمامی اعداد رینولدز مربوط به جریان چرخشی نامتقارن با TR=”3/3″ بوده که به‌ترتیب مقادیر 2/22 و 1/44 را برای جریان آرام و مغشوش نشان می‌دهد. هندسه پیشنهادی با کاهش تولید آنتروپی و برگشت‌ناپذیری، بازده قانون دوم ترمودینامیک را نسبت به مجرای ساده به میزان 195% در جریان آرام و 75% در جریان مغشوش افزایش می‌دهد، در حالی که برای جریان چرخشی متقارن این بهبود به‌ترتیب 132% و 53% گزارش می‌شود. مجاری پیچیده‌شده موجی با استفاده از فرآیند فرج سرد دومرحله‌ای ساخته شده و مبدل‌های حرارتی جدیدی بر پایه آن‌ها توسعه یافت. عملکرد این مبدل‌ها از طریق آزمایش‌های تجربی با مبدل‌های دارای مجاری داخلی ساده، موجی و پیچیده‌شده مقایسه گردید. در این آزمایش‌ها، آب سرد با دبی ثابت 1/69 لیتر بر دقیقه (Re~”400″ ) در سمت پوسته و آب گرم با دبی متغیر 1/26 تا 4/71 لیتر بر دقیقه، متناظر با عدد رینولدز ۵2۰۰ تا ۱۵4۰۰، در سمت لوله جریان داشت. نتایج تجربی نشان داد که مبدل‌های موجی، پیچیده‌شده و پیچیده‌شده موجی به‌ترتیب موجب افزایش حداکثر 12/9%، 19/8% و 39/9% ضریب کلی انتقال حرارت و بهبود بازده انرژی به میزان 11/4%، 14/8% و 32/5% می‌شوند. در ادامه‌ی رساله و با هدف کاربردی کردن مطالعات، از مجرای انتقال حرارت پیشنهادی برای ارائه طرح‌های نوآورانه در تجهیزات سیستم‌های انرژی، از جمله هیت‌سینک‌ها، کلکتورهای خورشیدی و مبدل‌های حرارتی بازیافت انرژی استفاده شد. نتایج شبیه‌سازی‌های عددی نشان داد که هیت‌سینک پیل سوختی مجهز به مولد جریان چرخشی رو‌به‌جلوی نامتقارن، شاخص عملکرد هیدروترمال 1/9 را ارائه می‌دهد، در حالی که این مقدار برای هیت‌سینک‌های دارای جریان چرخشی متقارن و موجی به‌ترتیب برابر با 1/15 و 1/33 است. همچنین شاخص دمای کاهیده‌شده سطح برای هیت‌سینک‌های موجی، پیچیده‌شده و پیچیده‌شده موجی به‌ترتیب مقادیر 0/96، 0/78و 0/81 را نشان داد که بیانگر عملکرد خنک‌کاری برتر هندسه پیشنهادی در پیل سوختی است. افزون بر این، شبیه سازی های عددی بر روی کلکتور خورشیدی نشان می دهد که راندمان کلکتور خورشیدی ساده با تجهیز به مجاری موجی، پیچیده‌شده و پیچیده شده موجی از 78/3% به‌ترتیب به 83/5%، 82/4% و 88/9% افزایش می یابد. بر مبنای الگوی جریان چرخشی رو‌به‌جلوی نامتقارن، یک مبدل حرارتی بازیافت انرژی برای یک کوره صنعتی ۱۰۰ کیلوواتی توسعه داده شد و مقایسه هایی با مبدل های متداول انجام گرفت. نتایج بدست آمده نشان داد که مبدل ساده، مبدل مولد جریان چرخشی متقارن و مبدل مولد جریان چرخشی نامتقارن به‌ترتیب موجب بازیافت سالانه ۱۳۵۶۰، ۱۶۵۷۴ و ۲۲۳۷۶ کیلووات‌ساعت انرژی می شوند. همچنین، به کار گیری این مبدل ها به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای به میزان 2/46، 3/04 و 4/06 تن در سال منجر می‌گردد.

کلمات کلیدی:

جریان چرخشی رو به جلوی نامتقارن، مجرای پیچیده شده موجی، بهبود بازده انرژی، مبدل حرارتی بازیافت انرژی ، هیت سینک