روش تک مرحله‌ای نیز به‌موازات روش دومرحله‌ای پیشرفت کرده است به طور مثال نانو سیالاتی شامل نانو ذرات فلزی با استفاده از روش تبخیر مستقیم تهیه‌شده‌اند در این روش منبع فلزی تحت شرایط حتی تبخیر می‌شود در این روش تراکم توده نانو ذرات به حداقل خود می‌رسد اما فشار بخار پایین سیال یکی از معایب این فرایند محسوب می‌شود ولی بااین‌حال روش‌های شیمیایی تک مرحله‌ای مختلفی برای تهیه نانو سیال به وجود آمده است که از آن جمله می‌توان به روش احیای نمک فلزات و تهیه سوسپانسیون ها آن در حلال‌های مختلف برای تهیه نانو سیالات فلزی اشاره کرد مزیت اصلی این روش تک مرحله‌ای کنترل بسیار مناسب روی اندازه و توزیع اندازه ذرات است.
روش مدل‌سازی جریان نانو سیال
به طور کل جریان سیالات را به دو صورت لاگرانژی و اویلری می‌توان حل نمود. در حل اویلری سیال پیوسته در نظر گرفته‌شده و در نتیجه معادلات پیوستگی و ناویر استوکس در آن حاکم می‌باشد. در این حالت می‌توان محیط را به حجم های کنترل ماکروسکوپی فرضی تقسیم نمود که خواص مکانیکی و ترمودینامیکی در هر حجم کنترل پایدار فرض شده و از هر حجم کنترل به حجم کنترل دیگر تغییر می‌کند . بنابراین معادلات پیوستگی و ممنتوم ناویر استوکس در هر حجم کنترل صادق می‌باشد.
باید حجم کنترل فرضی را به اندازه کافی بزرگ باشد تا بتوان نوسانات میکروسکوپی را نادیده گرفت، از طرفی باید به اندازه کافی کوچک باشد تا از تغییرات ماکروسکپی خارج نشود.
در حجم کنترل مشخص شده به دلیل محدود بودن نوسانات مولکولی در حجم کنترل می توان سیال را پیوسته در نظر گرفت و در حجم کنترل در حالت ماکروسکپی شامل هزاران ملکول سیال است در این حالت برای هر حجم کنترل فقط یک دسته معادله پیوستگی، مومنتوم و انرژی استفاده خواهد شد. اما در حالت میکروسکوپی برای حل جریان به تعداد مولکول های سیال معادلات پیوستگی، مومنتوم و انرژی نیاز است.
توربین
واژه‌ی توربین برای اولین بار به‌وسیله‌ی کلاد بوردین در سال ۱۸۲۸ به وجود آمد که از لغت یونانی به معنی چرخنده یا سر گردان مشتق شده است. توربین موتوری چرخنده است که می‌تواند از یک سیال انرژی به‌دست آورد.
ساده‌ترین توربین‌ها یک بخش چرخنده و تعدادی پره دارند که به بخش اصلی متصل شده است سیال به پره‌ها برخورد می‌کند و بدین ترتیب از انرژی ناشی از متحرک بودن آن استفاده می‌کند به‌عنوان اولین توربین‌ها می‌توان آسیاب بادی و چرخاب را نام برد.
توربین‌های گاز، بخار و آب معمولاً پوشش محافظی در اطراف پره‌هایشان دارند که سیال را کنترل می‌کنند پوشش‌ها و پره‌ها می‌توانند اشکال هندسی مختلفی داشته باشند که هر کدام برای نوع سیال و بازده متفاوت است.
کمپرسور یا پمپ دستگاهی مشابه توربین است ولی با عملکرد بر عکس به‌طوری که این دستگاه انرژی را می‌گیرد و باعث حرکت یک سیال می‌شود.

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

انواع توربین
توربین‌های بخار: برای تولید برق در نیروگاه‌های حرارتی که از ذغال‌سنگ، نفت و انرژی هسته‌ای استفاده می‌کنند به‌کار برده می‌شوند روزی از آنها برای هدایت وسایل نقلیه مانند کشتی استفاده می‌شد.
توربین‌های گازی: این توربین‌ها معمولاً دارای یک ورودی، فن، کمپرسور، محفظه متراکم کننده و یک نازل است.
توربین‌های ترانسونیک: جریان گاز در اکثر توربین‌ها همواره سرعتی زیر صفر دارد در این نوع توربین‌ها سرعت گاز هنگام خروج بالاتر از صفر است. این توربین‌ها در فشار بالاتری کار می‌کند ولی معمولاً بازده کمی دارند و خیلی هم مرسوم نیستند.
توربین‌های کنترا رتاتینگ: دو توربین که یکی بالا دیگری پایین در جهت مخالف هم می‌چرخند این سیستم پیچیدگی‌هایی دارد که تولید آن را کاهش می‌دهد.
توربین‌های سرامیک: توربین‌های با فشار بالا که از آلیاژ نیکل و فولاد ساخته‌شده‌اند معمولاً دارای سیستم‌های خنک‌کننده پیچیده هستند اخیراً پره‌های سرامیکی روی توربین‌های گازی امتحان شده‌است.
فصل دوم
پیشینه تحقیق
2-1- پیشینه تحقیق
معمولاً برای بررسی رفتار و انتقال حرارت نانو سیال در مجاری لوله با شرایط خاص از شبیه‌سازی عددی و یا تجربی استفاده می‌شود.
محسن نظری 4[3] به تحلیل تجربی انتقال حرارت نانو سیال آلومینا / آب که در داخل لوله افقی شده با در نظر گرفتن شار حرارتی ثابت در جداره لوله‌ها و نیز با افزایش عدد نوسلت برای نانو سیال در غلظت 2% حجمی در رینولدز 13500 در حدود 22% پرداخته است. البته در مطالعات ذکرشده آب به‌عنوان سیال پایه در نظر گرفته شده است و نیز برای تعیین نانو سیال در آزمایش نسبت های حجمی را 1%، 1.5%، 2% ذرات آلومینا رو مورد بررسی قرار داده است.
آنها بعد از تحلیل داده‌ها عملکرد انتقال حرارت نانو سیال به‌وسیله ضریب حرارت جابه‌جایی و عدد نوسلت مورد بررسی و به‌صورت زیر بیان نموده‌اند:
h(x)=q⁄((T_w (x)-T_f (x))) (1-2)
Nu(x)=h(x)D/k_nf (2-2)
البته دمای بالک T_f را از طریق بالانس انرژی به‌صورت زیر:
T_f (x)=T_m+qPx/(ρ_nf Cp_nf uA) (3-2)
P محیط دایره، T سطح مقطع وT_m دمای ورودی نانو سیال می‌باشد.
آنها با استفاده از داده‌های تجربی و مقایسه آن با تحلیل های گذشته به هدف خود که بررسی تأثیر غلظت ذرات روی انتقال حرارت جابه‌جایی و افت فشار در جریان پی برده‌اند که نشان می‌دهد که افزودن نانو ذرات به سیال مبنا باعث افزایش ضریب انتقال حرارت و عدد نوسلت در جریان می‌شود در حقیقت در صد ذرات معلق عامل اصلی برای افزایش انتقال حرارت است البته شایان‌ذکر است که با مقایسه روش تجربی با روابط موجود برای ضریب انتقال حرارت جا به‌جایی به نکته‌ای رسیدن که تنها عامل افزایش ضریب هدایت فقط نسبت سیال مبنا نبوده بلکه عوامل دیگری همچون حرکات بروانی و بی‌نظمی نانو ذرات و نیز برخورد ذرات با یکدیگر نیز تأثیرگذار بوده است.
لیانگ و رودریگز 5[4] در سال 2007 سیال را به‌صورت عددی شبیه‌سازی کرده و مورد مطالعه قرار داده‌اند . در این زمینه‌ی که به‌عنوان شبیه‌سازی عددی سیال و تأثیر اضافه کردن جرم بر روی توربین فرانسیس می‌باشد که در این مطالعات به روش المان محدود (FEM) پرداخته‌اند. حساسیت این روش در شکل المان و تراکم مش بندی می‌باشد و با استفاده از روش المان محدود رفتار ارتعاشی هوا و آب را محاسبه کردند البته با افزودن جرم به مقایسه فرکانس طبیعی و شکل های حالت های صورت گرفته در هر دو مورد پرداخته‌اند.
آنها با ایجاد ساختاری به شکل 6133 المان و 8529 گره و المان را به صورت شش گوش برای غلبه بر مشکلات در ایجاد ساختار هندسه ای پیچیده استفاده کرده اند .در شبیه سازی تجربی صورت گرفته نشان میدهد که حداکثر انحراف در فرکانس طبیعی در حدود 3.5% ± است .
تاثیر افزودن جرم به محیط آب در مقایسه با هوا که مورد بررسی آنها می بوده فرکانس طبیعی بطور قابل توجهی با حضور آب کاهش می یابد. نسبت کاهش در طیف وسیعی از 0.10 تا 0.39 متفاوت می باشد که البته بستگی به حالت شکل ها نیز دارد.
موراتا و گورداین 6[5] در سال (2012) به بررسی و پیش بینی جریان آشفته در اطراف پره های توربین با استفاده از شبیه سازی ( LES ) پرداختند. نتایج خود را با نتایج تجربی مقایسه کردند و به اهمیت ساختار جریان در افزایش انتقال حرارت و لایه مرزی پی بردند.
پک و چو 7[6]به بررسی تجربی انتقال حرارت جا به جایی در هم برای نانو سیال اکسید آلومینیوم آب – اکسید تیتانیوم – آب پرداختند ، نتایج عدد ناسلت نانو سیال را با افزایش نسبت حجمی نانو ذرات و عدد رینولدز نشان داد.
چوی و همکارانش 8[7]با اضافه کردن مقدار کم از ذرات به سیال پایه بهبود چشمگیر ضریب انتقال حرارت رسانای این نوع سیال را نسبت به سیال پایه گزارش کردند.
ونگ و همکارانش 9[8]به بررسی ضریب رسانای نانو سیالات شامل نانو ذرات آلومینا ، اکسید مس در سیالات پایه نظیر آب ، اتیلن گلیکول ، روغن پمپ خلا و روغن موتور پرداختند . نتایج آنها نشان داد که نانو سیال دارای ضریب انتقال حرارت بیشتری نسبت به سیال پایه خود هستند. همچنین با افزایش نسبت حجمی نانو ذره ضریب رسانایی سیال افزایش می یابد که درصد این افزایش برای نانو سیالات مختلف متفاوت است.
ژای و همکارانش 10[9]اثر PH مخلوط ، سطح ویژه نانو ذرات و ضریب رسانایی سیال را بر روی ضریب رسانایی موثر سوسپانسیون نانو ذرات 〖Al〗_2 O_3 را مورد بررسی قراردادند . آنها نتیجه گرفتند که اولاً اضافه کردن نانو ذرات سبب بهبود ضریب رسانایی می‌شود ، که با افزایش درصد حجمی نانو ذرات این مقدار افزایش یابد همچنین افزایش فاصله PH مخلوط از نقطه ایزو الکتریک باعث افزایش ضریب رسانایی موثر نانو سیال می‌شود از سوی دیگر نرخ افزایش ضریب رسانایی نانو سیالات با افزایش ضریب رسانایی سیال پایه کم می‌شود.
داس و همکارانش 11[10]به بررسی تجربی از دما بر ضریب انتقال حرارت رسانایی پرداختند . آنها دو تا سه برابر شدن این ضریب با افزایش دما در یک محدوده دمایی 31 تا 51 درجه سانتی گراد را گزارش کردند ، که این روابط ضریب نانو سیال را کمتر از مقدار واقعی آن پیش‌بینی می‌کنند.
خانافر و همکارانش 12[11]اولین کسانی بودند که جریان نانو سیال را به‌صورت عددی شبیه‌سازی کردند . آنها جریان جا به‌جایی طبیعی مخلوط آب و مس را در حفره‌ی مربعی مورد بررسی قراردادند، نتایج آنها نشان داده است که انتقال حرارت و سرعت جریان نانو سیال نسبت به سیال خالص به دلیل افزایش ضریب رسانش حرارتی و حرکت تصادفی نانو ذرات، افزایش می‌یابد.
وان و دینگ 13[12]انتقال حرارت جا به‌جایی آرام نانو سیال اکسید آلومینیوم – آب را در ناحیه ورودی لوله مورد بررسی قراردادند . نتایج آنها افزایش 49% را برای عددی ناسلت نانو سیال با نسبت حجمی 1.6%در مقدار سرعت جریان برابر را نشان می‌دهد. همچنین طول ناحیه توسعه‌یافته برای نانو سیال بیشتر از مقدار آن برای سیال خالص بوده که با افزایش در صد حجمی نانو سیال افزایش می‌یابد. پدیده مهاجرت ذرات که باعث پخش غیریکنواخت رسانایی حرارتی و ویسکوزیته شده و سبب کاهش لایه‌مرزی حرارتی می‌گردد، برهانی بود که توسط آنها این بهبود پیشنهاد شد.
میگا و همکارانش 14[13]جریان آرام و درهم نانو سیال در داخل لوله تحت شار حرارتی ثابت را به کمک روش عددی بررسی کردند. در این بررسی از فرض سیال تک فاز برای مخلوط نانو ذرات اکسید آلومینیوم در آب واتیلن گلیکول استفاده شد. برای مدل کردن جریان درهم از معادلات متوسط گیری شده رینولدز و مدل دو معادله‌ای k-ε استفاده گردید . هندسه مورد استفاده بررسی توسط آنها ، لوله‌ای به قطر 0.01 متر و طول 1 متر و عدد رینولدز در نظر گرفته‌شده برای جریان آرام 250 و برای جریان درهم از 10000 تا 50000 بود، نتایج عددی آنها نشان داد که اصطکاک دیواره و انتقال حرارت با افزایش در صد حجمی نانوذره زیاد می‌شود، همچنین در عدد رینولدز در صد حجمی برابر، میزان افزایش انتقال حرارت اکسید آلومینیوم – اتیلن گلیکول بیشتر از نانو سیال اکسید آلومینیوم – آب است.
روی و همکارانش 15[14]جریان آرام شعاعی نانو سیالات اکسید آلومینیوم در آب، اتیلن گلیکول و روغن در اندازه‌های مختلف نانوذره را بررسی کردند، بیشتر بودن ویسکوزیته و کمتر بودن ضریب انتقال حرارت نانو سیالات با ذرات بزرگ‌تر نسبت به نانو سیالات ریزتر توسط آنها گزارش گردید، همچنین آنها رابطه مستقیمی بین انتقال حرارت و تنش بر روی دیواره با عدد رینولدز و در صد حجمی نانو ذرات را بیان کردند.
هریس و همکارانش 16[15]اثر سیال اکسید مس – آب و اکسید آلومینیوم –آب را در لوله تحت دمای دیواره ثابت مورد بررسی قراردادند. نتایج نشان داد که میزان انتقال حرارت و تنش برشی دیواره نسبت به سیالات پایه زیادتر بوده و افزایش نسبت حجمی نانوذره سبب افزایش این مقادیر می‌گردند. افزایش انتقال حرارت ناشی از حضور نانو سیال بیشتر از مقداری است که توسط روابط سیال تک فازی برای انتقال حرارت به‌دست می‌آید. آنها همچنین بهبود انتقال حرارت نانو سیال اکسید آلومینیوم آب را بیشتر از نانو سیال مس – آب گزارش کردند.

خدادادی و حسین زاده 17[16]به بررسی عددی تأثیر ذرات نانو ذرات نانو در مواد تغییر فاز دهنده در یک محفظه بسته در حالت دو بعدی پرداختند. آنها با افزودن ذرات نانو تغییر فاز دهنده (NEPCM) در محفظه بسته نشان دادند که در این کار می‌تواند منجر افزایش رسانایی گرمایی و همچنین کاهش گرمای نهان ذوب نشود.
بهزاد مهر و همکارانش 18[17]با استفاده از مدل 2 فازی جریان ، انتقال حرارت نانو سیال مس – آب با در صد حجمی یک در صد را در داخل لوله مورد بررسی قراردادند . آنها اثر شدت تلاطم ، در صد حجمی نانو سیال را بر روی طول ناحیه ورودی جریان ، ضریب انتقال حرارت و عدد ناسلت در لوله ، مورد بررسی قرار داده و نشان دادند که استفاده از نانو سیال باعث بهبود عملکرد انتقال حرارت می‌شود ، آنها کم شدن طول ناحیه توسعه‌یافتگی جریان را با استفاده از نانو سیال گزارش کردند ، همچنین آنها اثر شدت تلاطم را در ورودی جریان بر روی انتقال حرارت بیان کردند.
سانترا و همکارانش 19[18]جریان نانو سیال آب و مس را در درون یک حفره مربعی با روش عددی حجم محدود حل نمودند . آنها با فرض غیر نیوتنی بودن سیال و با استفاده از الگوریتم سیمپل اقدام به حل مساله فوق نمودند ، آنها نشان دادند که انتقال حرارت با افزایش نسبت حجمی نانو ذرات در هر یک از اعداد رایلی مورد بررسی افزایش می‌یابد .
نمبرا و همکارانش 20[19]جریان درهم نانو سیال در داخل لوله را به‌صورت عددی و با استفاده از نرم‌افزار فلوئنت شبیه‌سازی کردند . نانو سیال مورد استفاده توسط آنها از ترکیب نانو ذراتی چون اکسید مس – اکسید آلومینیوم و اکسید تیتانیوم در داخل ترکیبی از آب و اتیلن گلیکول با نسبت حجمی 60 به 40 به‌عنوان سیال پایه بوده که به‌صورت تک فازی مدل گردید . ویسکوزیته موثر نانو سیال به‌صورت تجربی، برای نانو ذرات مختلف و اندازه‌های متفاوت ذرات اندازه‌گیری کرده و سایر خواص را متغیر با دما در نظر گرفتند. از مدل دو معادله‌ای k-ε برای مدل‌سازی جریان توربولانس استفاده کردند. آنها همچنین خواص ترمو فیزیکی نانو سیال را به‌صورت تابعی از دما در نظر گرفتند. نتایج آنها نشان داد که افزایش نسبت حجمی نانو ذرات اثر مثبتی را در بهبود انتقال حرارت سبب می‌گردد. همچنین افزایش این نسبت سبب افزایش تنش و در نتیجه افزایش افت فشار می‌گردد ، همچنین نانو سیالات حاوی نانو ذرات ریزتر در یک نسبت حجمی برابر، عملکرد بهتری را در انتقال حرارت از خود نشان دادند.
2-2- نگاهی به پیشینه انتقال حرارت در جریان پالسی :
البته انتقال حرارت جابجایی جریان ضربانی (پالسی) آرام نانو سیال در لوله با دیواره شار ثابت در گذشته انجام‌شده به‌صورتی که جریان پالسی بوده است.
ژوان و لی 21[20] در مورد پنج دلیل احتمالی برای بهبود ضریب هدایت گرمایی نانوذره بحث کردند: 1. افزایش مساحت سطح 2. افزایش ضریب هدایت گرمایی سیال 3. واکنش و برخورد میان نانو ذرات 4. نوسان شدید مخلوط و آشفتگی سیال 5. پخش و پراکندگی نانو ذرات.
هریس و همکاران22[21] تحقیقاتی در مورد انتقال حرارت جابجایی نانو سیالAl_2 O_3 در شرایط جریان آرام با شرط دمای دیواره ثابت ارائه کردند که در این آزمایش عدد ناسلت برای نانو سیال بیشتر از سیال پایه گزارش کردند.
و همکارانش 23[22] جریان آرام و آشفته‌ی نانو سیالTiO_2 در آب را در لوله عمودی مورد بررسی قراردادند. در این بررسی سه ذره با اندازه‌های nm95 و nm145 و nm210 مورد استفاده قرار گرفت.
2-3- جریان‌های نوسانی :
شاهین24 [23] از هر دو روش آزمایشگاهی و تحلیلی انتقال حرارت جابجایی برای جریان درون تک لوله و دو لوله هم مرکز استفاده کرد. نتایج او %25 افزایش انتقال حرارت برای یک فرکانس نوسان اساسی را نشان داد.
ماسچاندرا و زامیر25[24] در تحقیقشان دریافتند که تغییرات ملایم فرکانس در یک محدوده مشخص فرکانسی 25-5 Hz پیک مثبتی در اثرات جریان ضربانی ایجاد می‌کند که به‌موجب آن دمای توده سیال و عدد ناسلت افزایش می‌یابد.
حل تحلیلی حمیدا و همکاران26[25] در تقابل با نتایج ماسچاندرا و زامیر بود. آن‌ها بیان داشتند که انتقال حرارت برای سیستم پالسی کاهش می‌یابد.
نیلد و همکاران 27[26] تحقیقات تحلیلی خود را بر روی جریان آرام داخل کانال یا لوله با جابجایی آرام به کمک روش آشفتگی انجام دادند. طبق نتایج آن‌ها هیچ‌گونه افزایشی در انتقال حرارت گزارش نکردند.
فصل سوم
معادلات حاکم
3-1- مقدمه
در این فصل، معادله‌های حاکم بر مکانیک شاره‌ها و انتقال گرما (دینامیک شاره‌ها) توصیف می‌شود. سپس فرضیات ساده‌کننده‌ای به معادلات اضافه‌شده و شکل کلاسیک معادلات و فرم حجم کنترلی آن توضیح داده می‌شود. معادله‌های اساسی دینامیک شاره‌ها بر اساس قوانین جهانی بقای زیر استوار است.
بقای جرم

دسته بندی : پایان نامه ارشد

پاسخ دهید