اثر ورتكس‌هاي تصادفي بر نرخ انتقال حرارت از يك ذره كروي

The Influence of Random Vortices on the Heat Transfer Rate from a Spherical Particle

در بسياري از فرآيندهاي مهندسي و صنعتي، اسپري نقش مهمي را ايفا مي‌كند. در اين راستا، بررسي نرخ انتقال حرارت از ذرات در محيطي با طيف وسيعي از ساختارهاي گردابه‌اي همانند گردابه‌هاي آشفته، از اهميت بسزايي برخوردار است. اثرات متقابل بين اين ساختارهاي گردابه‌اي و ذرات كروي به‌طور قابل توجهي بر نرخ انتقال حرارت از ذرات و طول عمر آن‌ها تأثير مي‌گذارد. در تحقيق حاضر، انتقال حرارت گذراي يك ذره كروي در تعامل با ورتكس‌هاي تصادفي در جريان تراكم‌‌ناپذير و لزج با استفاده از حل عددي معادلات ناوير- استوكس و انرژي در Re=100 با الگوريتم محاسباتي توسعه يافته، مطالعه شده است. به‌منظور اطمينان از صحت محاسبات، نتايج با داده‌هاي عددي در دسترس در مقالات مقايسه و هماهنگي خوبي بين نتايج مشاهده گرديد. در ابتدا حوزه تأثير ورتكس حول ذره با شبيه‌سازي دو ورتكس مشابه و با در نظر گرفتن اثر آن‌ها بر عدد ناسلت تعيين شده است. سپس، با استفاده از اين حوزه تأثير، اثر تعداد ورتكس‌هاي تصادفي با ساختارها و موقعيت‌هاي مختلف بر نرخ انتقال حرارت از ذره بررسي شده است. نشان داده شده كه تنها 4 و يا 5 ورتكس مي‌تواند به‌خوبي اثرات يك محيط گردابه‌اي با تعداد بيشتري از ورتكس‌ها را بر نرخ انتقال حرارت از يك ذره پيش‌بيني كند. به‌علاوه، نتايج نشان مي‌دهد كه براي تعداد 4 و يا بيشتر از ورتكس‌ها، عدد ناسلت در بازه‌اي محدود نسبت به مقادير مربوط به عبور جريان بدون ورتكس از روي ذره تغيير مي‌كند. به‌علاوه، افزايش در اندازه ورتكس‌ها منجر به نرخ انتقال حرارت بيشتر مي‌شود.

Spray plays an important role in many engineering and industrial processes. Therefore, it is important to investigate the heat transfer rate of particles in an environment with a wide spectrum of vortical structures resembling turbulent eddies. The interaction between these vortical structures and spherical particles significantly influences the heat transfer rate of particles and their life time. In the present study, transient heat transfer of a spherical particle interacting with random vortexes in an incompressible and viscous flow has been studied using numerical solution of the Navier-Stokes and energy equations at Re=100 by the developed computational algorithm. In order to ensure the accuracy of the calculation, the results are compared with numerical data available in literature, where good agreements were observed. The influential vortex domain around the particle was first identified with simulating two similar vortexes based on their impact on the Nusselt number. Then, using this domain of influence, effects of the number of random vortexes with different structures and positions on the heat transfer rate of the particle was considered. It was found that only 4 or 5 vortexes can well predict the influences of a vortical domain with larger number of vortexes on the heat transfer rate of a particle. The results also indicate that for 4 or more vortexes the Nu varies in a limited range of that for the case with no vortex flow. Furthermore, increasing vortexes sizes, leads to the higher heat transfer rates.