مطالعه تاثير فشار ورودي بر عملكرد دستگاه ورتكس تيوب توسط تكنيك ديناميك سيالات محاسباتي

Numerical Study of Inlet Pressure Effects on the Performance of Vortex Tube Machine

در مقاله حاضر با استفاده از شبيه سازي سه بعدي و تكنيك ديناميك سيالات محاسباتي توسط نرم افزار فلوئنت، به بررسي تاثير فشار ورودي بر روي عملكرد دستگاه ورتكس تيوب پرداخته شده است. نوآوري كار حاضر توجه ويژه به بحث عدد ماخ درون محفظه چرخش و نحوه تغييرات آن بر اثر تغيير فشار ورودي مي باشد كه تا كنون در مقالات و پژوهش هاي ديگر بررسي نشده است. جريان داخل دستگاه به صورت تراكم پذير و توربولانس در نظر گرفته مي‌شود. به منظور درك و بررسي تأثير فشار ورودي، فشارهاي ورودي مختلف به دستگاه وارد شده و نتايج استخراج و تحليل مي‌شوند. جهت حل ميدان جريان از مدل توربولانس k-ε استفاده شده است. هندسه مدل ثابت در نظر گرفته شده است. هدف اصلي دست‌يابي به مينيمم دماي خروجي سرد و ماكزيمم سرعت چرخشي در ورتكس تيوب مي باشد. مقاله حاضر بر اين باور است كه هر ورتكس تيوبي، يك فشار كاري بهينه دارد كه هم از لحاظ ميزان سرمايش توليدي و هم از لحاظ اقتصادي توجيه پذير مي باشد اين فشار كار در مقاله حاضر برابر 4.8 بار بدست آمد. نتايج نرم افزاري حاضر نشان مي دهد كه براي مقاصد سرمايشي استفاده از نسبت‌هاي جرمي سرد حدود 0.3 باعث جدايش بالاتري در خروجي سرد خواهد شد و براي مقاصد گرمايشي توصيه مي‌گردد از نسبت جرمي سرد حدود 0.8 استفاده گردد. همچنين با افزايش فشار ورودي، توليد آنتروپي و متعاقب آن ميزان بي نظمي در سيستم نيز افزايش مي يابد.

Vortex tube or Ranque–Hilsch vortex tube is a mechanical device with a simple geometry and without any intricacy in its components, which can produce two colder and hotter streams from compressible inlet air. In this investigation, computational fluid dynamics (CFD) technique is used to study of key design parameter influence, i.e. inlet pressure on the performance of vortex tubes and energy separation phenomenon. The novelty of the present paper is the special focus on the Mach number inside vortex chamber and its changes due to the inlet pressure effect which has not been investigated in other papers yet. The governing equations have been solved by FLUENT code in 3D compressible and turbulent model using standard k-ε turbulence model. In this study on the basis of obtained results by the CFD study, different inlet pressures of vortex tube are studied. Finally in order to attain the more temperature separation in the vortex tube system, some suggestions and results is presented. This article believes that every vortex tube has an optimum pressure which is commercially optimized in heating and cooling processes. This optimum pressure was found to be 4.8 bar in the present research. The present obtained software results indicate that for cooling purpose, the cold mass fraction of about 0.3 will be recommended for higher cold temperature difference and for heating purposes in throughput of the cold mass ratio of about 0.8 is used. The obtained CFD results are validated by available experimental results. Also the inlet pressure increment reveals the increase of entropy generation and irregularity in the system.