کلمات کلیدی ورتکس تيوب، نازل، جدایش دمایی، شبيه سازی عددی، محفظه چرخش ، جریان های برگشتی. فهرست مطالبفصل اول: مقدمه1-1 رانکيو-هيلش ورتکس تيوب 11-2 تحقیقات رانکیو 21-3 تحقیقات هیلش 31-4 ورتکس تیوب مخروطی یا واگرا 41-5 ساختار کلی دستگاه 51-6 مزایا و معایب ورتکس تیوب 61-6-1 مزیتهای عمده ورتکس تیوب 61-6-2 برخی معایب ورتکس تیوب 71-7 ورتکس تیوبهای تجاری 71-8 کاربردهای ورتکس تیوب 71-8-1 خنک کاری موضعی 71-8-2 گرمایش موضعی 81-8-3 خنک کننده هوای شخصی 91-8-4 کاربرد به عنوان یک سیستم جدا کننده رسوب91-8-5 کاربرد به عنوان یک سیستم پالاینده در صنایع نفت و گاز 91-8-6 کاربرد در جوشکاری اولتراسونیک 101-9 کارهای آزمایشگاهی 101-10 ساختار کلی پایان نامه 11فصل دوم: مروری بر کارهای گذشته2-1 تحقیقات آزمایشگاهی بر روی ورتکس تیوب 132-1-1 پارامترهای ترموفیزیکی 132-1-2 پارامترهای هندسی 142-2 تحقیقات تئوری بر روی ورتکس تیوب 152-2-1 مدل تراکم و انبساط آدیاباتیک 152-2-2 اثر اصطکاک و توربولانس 152-2-3 مدل جریان آکوستیک 162-2-4 مدل چرخش ثانویه 172-3 تحقیقات عددی بر روی ورتکس تیوب 192-3-1 محل نقاط سکونی طولی و شعاعی داخل ورتکس تیوب 192-4 بررسی نازلهای تزریق دستگاه 202-4-1 تحقیقات آزمایشگاهی بر روی نازلهای تزریق دستگاه ورتکس تیوب212-5-2 مطالعات عددی بر روی نازلهای تزریق دستگاه ورتکس تیوب 22فصل سوم: تجزیه و تحلیل نظری ورتکس تیوب3-1 بررسی ترمودینامیکی ورتکس تیوب 243-1-1 قانون اول ترمودینامیک 263-1-2 قانون دوم ترمودینامیک 263-2 مدل چرخش ثانویه آلبرن 293-2-1 مدل چرخش ثانویه آلبرن (مدل مبدل حرارتی)293-2-2 مدل اصلی چرخش ثانویه آلبرن 313-2-3 تفسیر مدل آلبرن 323-2-4 مدل آلبرن اصلاح شده 33فصل چهارم: مدل عددی بررسی شده4-1 شبیه سازی عددی ورتکس تیوب 384-1-1 معادلات حاکم 384-1-2 مدلسازی توربولانس 394-2 توصیف هندسی ورتکس تیوب مدل شده 414-3 شرایط مرزی 424-3-1 ورودی (Inlet) 424-3-2 خروجی سرد (Cold Exit End) 434-3-3 خروجی گرم (Hot Exit End) 434-3-4 دیواره ورتکس تیوب (Wall) 434-4 اهداف و دورنمای بررسی و تحقیق عددی 434-5 بررسی استقلال نتایج عددی از مش بندی 444-6 بررسی مدل توربولانس 454-7 مقایسه نتایج عددی با تجربی و اعتباردهی به نتایج عددی 464-8 بررسی قانون دوم ترمودینامیک برای ورتکس تیوب47 فصل پنجم:بررسی تأثير ابعاد نازلهای تزریق بر عملکرد دستگاه ورتکس تیوب 5-1بررسی تأثیر ارتفاع نازل بر دمای خروجی سرد و گرم دستگاه495-2مفهوم جریان برگشتی در ورتکس تیوب535-3بررسی عدد ماخ داخل محفظه چرخش در حالات مختلف ارتفاع نازل545-4بررسی تناظر بین فشار در محفظه چرخش و دمای خروجی سرد دستگاه555-5بررسی تأثیر سطح مقطع مستطیلی ورودی نازل بر روی جدایش دمایی سرد دستگاه585-6توزيع دما و خطوط مسير605-7بررسی مولفه چرخشی سرعت و ماکزیمم مقدار آن615-8نرخ توان سرمایشی و گرمایشی625-9تحلیل عدد ماخ و فشار کل در مدل حالت بهینه و اسکای و همکاران[66]63 فصل ششم: نتایج و پیشنهادات6-1 خلاصه نتایج 666-2 پیشنهاد برای کارهای آتی 68فهرست منابع و مأخذ 69فهرست جداول جدول 2-1: طول و قطر ورتکس تیوبهای استفاده شده در برخی از مقالات 18جدول 4-1: مشخصات هندسی ورتکس تیوب مدل شده.. 42جدول 5-1 دمای خروجی سرد برای ارتفاع های مختلف نازلها 50جدول 5-2 : مقادیر بیشینه فشار در محفظه چرخش و دمای خروجی سرد دستگاه.. 57 جدول 5-3: جدایش دمای خروجی سرد برای نسبت های مختلفη = B/W برای H = 6 m.....59 فهرست اشکالشکل 1-1: نحوه عملکرد و اجزای یک ورتکس تیوب.. 1شکل 1-2: سطح مقطع ورتکس تیوب طراحی شده توسط رانکیو.. 2شکل 1-3: ورتکس تیوب مربوط به شرکت Exair. 2شکل 1-4: شماتیک ورتکس تیوب با جریان مخالف.. 4شکل 1-5: شماتیک ورتکس تیوب با جریان موازی.. 4شکل 1-6: شماتیک ورتکس تیوب مخروطی.. 5شکل 1-7: اجزا تشکیل دهنده ورتکس تیوب به همراه پلان مونتاژ 6شکل 1-8: یک نمونه از ورتکس تیوب ساخت شرکت ITW Vortec (تفنگ هوای سرد).. 7شکل 1-9: کابینت کنترلی ساخته شرکت Exair. 8شکل 1-10: جزئیات خنک کاری یک کابینت کنترلی توسط ورتکس تیوب ساختهی شرکت Exair. 8شکل 1-11: کاربرد ورتکس تیوب در جلیقهی هوا .. 9شکل 1-12: استفاده از ورتکس تیوب بعنوان استخراج و جدا کننده رسوب از یک جریان .. 9شکل 1-13: استفاده از ورتکس تیوب به عنوان پالاینده و جدا کننده هیدروکربنهای سنگین.. 10شکل 1-14: استفاده از ورتکس تیوب برای خنک کاری محل جوشکاری اولتراسونیک.. 10شکل 1-15: نمونه آزمایشگاهی از ورتکس تیوب ساخته شده توسط پورمحمود.. 11شکل 2-1: جریان ثانویه در ورتکس تیوب.. 17شکل 2-2: مولفههای سرعت چرخشی و محوری در z=0/007L و z=0/5L برای کسر دبیهای مختلف.. 20 شکل 2-3: توزیع مولفههای سرعت محوری برای نسبتهای دبی جرمی مختلف در خروجی سرد.. 20شکل 3-1: حجم کنترل در نظر گرفته شده برای آنالیز ترمودینامیکی 25شكل3-2: نتایج حاصل از آناليز ترموديناميكي برای دماي سرد و گرم خروجي به صورت تابعي از کسر جرمی سرد و ضريب فرآيند بازگشت ناپذيري در K300 و bar 6 و bar 1. شماره روي منحني ها مقدار ضريب مي باشد.28شکل 3-3: مدل چرخش ثانویه (الف) جریان چرخشی درونی و محیطی در ورتکس تیوب (ب) حلقه چرخش ثانویه و محیطی در ورتکس تیوب (شماره های 0 تا 5 موقعیت هایی است که فرایند به صورت فرضی آغاز و اتمام مییابد.).. 30شکل 3-4: توزیع سرعت رانکین در محفظه چرخش.. 33شکل 3-5: رابطه بین نسبت فشار بی بعد و عدد ماخ ....... 36شکل 4-1: الگوریتم حل تفکیکی بکار گرفته شده در حل معادلات 39شکل 4-2: پروفیل شبکه ایجاد شده در مدل سه بعدی پریودیک با نمایش میدان محاسباتی مساله.. 41شکل 4-3: مطالعه استقلال از مش بندی بر مبنای حداکثر جدایش دمایی سرد.. 45شکل 4-4: مطالعه استقلال از مش بندی بر مبنای حداکثر سرعت چرخشی در محفظه چرخش.. 45شکل 4-5: دمای گاز در خروجی سرد به ازای مدل های مختلف توربولانس 46شکل 4-6: دمای گاز در خروجی گرم به ازای مدل های مختلف توربولانس 46شکل 4-7: جدايش دمايی به دست آمده در خروجی سرد.. 46شکل 4-8: جدايش دمايی به دست آمده در خروجی گرم.. 46شکل 4-9: اختلاف آنتروپی ایجاد شده به ازای فشارهای مختلف ورودی به ورتکس تیوب.. 48شکل 5-1: نمایی از ورتکس تیوب و پارامترهای هندسی نازل آن.............................................................49شکل 5-2 : نمودار دمای خروجی سرد برحسب ارتفاع نازل برای w = 0.8 mm.. 50شکل 5-3 : نمودار دمای خروجی سرد برحسب ارتفاع نازل برای w = 0.9 mm.. 50شکل 5-4 : نمودار دمای خروجی سرد برحسب ارتفاع نازل برای w = 1 mm 50شکل 5-5 : نمودار دمای خروجی سرد برحسب ارتفاع نازل برای w = 1.2 mm.. 50شکل 5-6 : نمودار مقایسه جدایش دمایی در α=0.3 برحسب ارتفاع نازل برای عرض های متفاوت نازل در a) خروجی سرد و b) خروجی گرم 51شکل 5-7: نمودار دمای خروجی سرد برحسب عرض نازل برای ارتفاع نازل 5 میلیمتر.. 52شکل 5-8: نمودار دمای خروجی سرد برحسب عرض نازل برای ارتفاع نازل 6 میلیمتر.. 52شکل 5-9: نمودار دمای خروجی سرد برحسب عرض نازل برای ارتفاع نازل 7 میلیمتر.. 52 شکل5-10:کانتورهای دمایی برای حالاتa)حالت بهینهb) بدترین حالت 53شکل 5-11: نمایش دو بعدیخطوط مسیردر نزدیکی خروجی سرد بر حسب سرعت محوری.. 54شکل 5-12: طیف دمای کل در مقطعی نزدیک خروجی سرد.. 54شکل5-13:کانتورهای ماخ برای فاز یک بررسی و حالاتa)حالت بهینهb) حالت میانی c)بدترین حالت.. 55شکل 5-14 : نمودار تغییرات فشار در راستای شعاعی برای ارتفاع 5 و برای عرض نازل 0.8 و 1.2 میلی متر در محفظه چرخش.. 56شکل 5-15: نمودار تغییرات فشار در راستای شعاعی برای ارتفاع 6 و برای عرض نازل 0.8 و 1.2 میلی متر در محفظه چرخش.. 56شکل 5-16: نمودار تغییرات فشار در راستای شعاعی برای ارتفاع H=7 و برای عرض نازل 0.8 و 1.2 میلی متر در محفظه چرخش.. 57 شکل 5-17:(کانتور فشار برای محفظه چرخش برای عرض نازل 0.8 میلیمتر(b کانتورفشار برای محفظه چرخش برای عرض نازل 1.2 میلیمتر 58 شکل 5-18 : نمودار اختلاف دمای خروجی سرد با ورودی دستگاه برحسب η.. 59شکل 5-19: کانتور دما بر حسب کلوین در مقاطع مختلف ورتکس تیوب برای ورودی 8.34 g/s-160شکل 5-20: خطوط مسیر برای سیال در ورتکس تیوب بر حسب دمای کل 61شکل 5-21: مقایسه ی روند تغییرات سرعت چرخشی در راستای شعاعی برای مدل اسکای و همکاران [66] و مدل بهینه در z/L = 0.1. 62شکل 5-22:نمودار ظرفیت گرمایشی برای W های مختلف به ازای H های متفاوت.. 62شکل 5-23نمودار ظرفیت سرمایشی برای W های مختلف به ازای H های متفاوت.. 63 شکل 5-24: مقایسه ی روند تغییرات عدد ماخ در راستای شعاعی برای مدل اسکای و همکاران [66] و مدل بهینه در z/L = 0.1. 64 شکل 5-25: مقایسه ی روند تغییرات فشار کل در راستای شعاعی برای مدل اسکای و همکاران [66] و مدل بهینه در z/L = 0.1164شکل 5-26: مقایسه ی روند تغییرات اختلاف دمای کل در راستای خط مرکزی لوله برای مدل اسکای و همکاران [66] و مدل بهینه بازای z/l های مختلف.. 65 فصل اولمقدمه ورتکس تیوب یک اختراع ابتکارانه از دو دانشمند به نامهای جورج ژوزف رانکیو و رودولف هیلش میباشد، که جداگانه این دستگاه را در طول جنگ در دهه 1940 درست کردند.[1] به همین خاطر ورتکس تیوب را به افتخار این دو، رانکیو-هیلش ورتکس تیوب[1] نیز مینامند.ورتکس تیوب جریان گاز ورودی به لوله را به دو جریان جداگانه تقسیم میکند: یکی گرمتر و دیگری سردتر نسبت به ورودی. نکته جالب توجه در مورد این دستگاه، عدم وجود هیچ جزء متحرک، قطعه الکتریکی یا شیمیایی و یا کار ورودی به آن میباشد. علیرغم اینکه هندسه ورتکس تیوب ساده میباشد ولی فرآیند دینامیک سیالات و ترمودینامیک آن بسیار پیچیده میباشد. تا کنون کارهای آزمایشگاهی، تئوریک و عددی فراوانی برای بررسی پدیدهی جدایش دما[2] در ورتکس تیوب انجام گرفته است. واضح است که با استفاده از تکنیک دینامیک سیالات محاسباتی[3] میتوان از پیچیدگیها و هزینههای مربوط به کارهای تجربی کاست. 1-1 رانکيو-هيلش ورتکس تيوبدر قرن نوزدهم فیزیکدان بریتانیایی جیمز ماکسول پیشنهاد داد که یک سیستم با دو خروجی مجزای آب سرد و گرم عبوری از یک لوله میتوان ساخت که با باز و بسته کردن یک شیر کوچک کار کند. شیر باید به طور خودکار زمانیکه یک مولکول از آب گرم به آن میرسد، باز و هنگامیکه یک مولکول از آب سرد به آن میرسد، بسته شود.[2] این وسیله خیالی میتوانست به عنوان منبعی جهت دستیابی به سیالهای سرد و گرم به طور همزمان باشد. این دستگاه که ابتدا با نام لوله جنّی ماکسول نامیده میشد، یک قرن بعد به واقعیت تبدیل شد و امروزه به نام ورتکس تیوب شناخته میشود. شکل 1-1 یک طرح شماتیک از این دستگاه را نشان میدهد که هوای متراکم ورودی را به دو جریان هوای سردتر و گرمتر تقسیم میکند. جذابیت این وسیله برای محققین همانطور که اشاره شد، عدم استفاده از هر گونه ابزار متحرک و یا کار ورودی به آن میباشد.شکل 1-1: نحوه عملکرد و اجزای یک ورتکس تیوب [3] همانطورکه اشاره شد در اصل ورتکس تیوب به نام دو دانشمند شناخته میشود، اولی یک فرانسوی به نام رانکیو که در سال 1933 ورتکس تیوب را کاملاً به طور تصادفی کشف نمود و دوم یک آلمانی به نام رودولف هیلشکه در سال 1946 با انجام کارهای آزمایشگاهی جامع و انتشار مقالهای در این زمینه، دستگاه را با موفقیت ساخت و تست نمود. تحقیقات این دو نفر به صورت جزئیتر در ادامه بحث میشود. 1-2 تحقيقات رانکيویکی از جامعترین مقالات دارای جزئیات مربوط به آنالیز نحوه کشف ورتکس تیوب، توسط فولتن [1] اندکی بعد از کشف آن توسط رانکیو منتشر شد که در آن اشاره به این موضوع شده است که رانکیو دمای سکون[4] را با دمای استاتیک[5] اشتباه گرفت و برای همین ورتکس تیوب ساخته شده توسط وی درست کار نکرد. شکل 1-2 ورتکس تیوب طراحی شده توسط رانکیو[4] را نشان میدهد.شکل 1–2: سطح مقطع ورتکس تیوب طراحی شده توسط رانکیو [4] ورتکس تیوبهای مدرن امروزی از لحاظ ساختار و نحوه طراحی شبیه آنچه در شکل 1-3 نمایش داده شده است، میباشد که همراه با نقشه انفجاری آن است. این ورتکس تیوب ساختهی شرکت Exair میباشد.شکل 1-3: ورتکس تیوب مربوط به شرکت Exair[5] نخستین مقاله انتشار یافته در زمینه ورتکس تیوب مربوط به رانکیو در سال 1931 میباشد. وی در این مقاله نشان داد که ورودی هوا به صورت مماسی و شامل یک یا چند نازل تزریق[6] میتواند باشد. او همچنین توضیح داد که چگونه میتوان با تنظیم اندازه قطر خروجی سرد یا تغییر مساحت خروجی گرم، به میزان سرمایش مورد نظر رسید. همچنین نتیجه گرفت که اگر خروجی گرم بسته باشد، دمای روی دیواره لوله[7] به بیشترین مقدار خود میرسد و نیز اینکه با افزایش فشار، دمای خروجی سرد کاهش مییابد. خلاصه تئوری رانکیو به این صورت است که جریان گاز دارای چرخش در یک ورق ضخیم روی دیواره منبسط میشود و لایههای داخلی این ورق روی لایههای خارجی بوسیلهی یک نیروی گریز از مرکز فشار میآورند و آنها را فشرده میسازند و بنابراین باعث حرارت دادن به آنها میشوند. در همان زمان لایههای داخلی منبسط میشوند و سرد میگردند و اصطکاک میان لایهها نیز به کمترین مقدار خود میرسد.[4]