بررسی تجربی توزیع سرعت جریان هوا و اغتشاش هاي آن در یک دیفیوزر با مقطع ورودي 8 ضلعی و خروجی 4 ضلعی

Transcript

1 سال چهاردهم شماره دوم پاییز 91 بررسی تجربی توزیع سرعت جریان هوا و اغتشاش هاي آن در چکیده یک دیفیوزر با مقطع ورودي 8 ضلعی و خروجی 4 ضلعی 1* اردکانی محمد علی پرپنچی سید مرتضی 1- دانشیار پژوهشکده مکانیک سازمان پژوهش هاي علمی و صنعتی ایران -دانشجوي کارشناسی ارشد دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب ) دریافت مقاله: تاریخ پذیرش: ( دیفیوزر با مقطع ورودي هشت ضلعی و خروجی چهار ضلعی یکی از اجزاي مهم تونل باد عمودي است که براي عملیات سقوط آزاد طراحی شده است. براي تعیین افت فشار واقعی دیفیوزر نیاز به اندازه گیري توزیع سرعت می باشد. همچنین با بررسی توزیع سرعت می توان پدیده جدایش را در دیفیوزر فوق بررسی کرد. بدین منظور مدل %78 دیفیوز اصلی ساخته شده و توزیع سرعت جریان هوا و شدت اغتشاش هاي آن با استفاده از جریان سنج سیم داغ اندازه گیري شده است. با بررسی توزیع سرعت و همچنین شدت اغتشاش هاي آن مشخص شد که دیفیوزر فوق داراي جدایش نمی باشد. همچنین در صورتی که تاثیر غیریکنواختی سرعت در اندازه گیري افت فشار لحاظ نشود خطاي تعیین ضریب افت فشار قابل ملاحظه خواهد بود. واژههاي کلیدي: دیفیوزر توزیع سرعت شدت اغتشاش هاي جریان جریان سنج سیم داغ 1- مقدمه دیفیوزر یکی از اجزاي مهم سیستم هاي سیالاتی از جمله تونل باد می باشد. وظیفه اصلی دیفیوزر کاهش فشار دینامیکی و تبدیل آن به فشار استاتیکی و در نتیجه کاهش تلفات جریان هوا در پایین دست دیفیوزر می باشد. تلفات در دیفیوزر به دو صورت اصطکاکی و انبساطی می باشد که تلفات اصطکاکی ناشی از طول دیفیوزر و تلفات انبساطی ناشی از تغییرات گرادیان فشار هوا است. تخمین و تعیین افت فشار و یا تلفات در دیفیوزر (مشخص نمودن روابط نیمه تجربی براي تعیین افت فشار) بررسی جدایش جریان در دیفیوزر و همچنین چگونگی کاهش جدایش جریان در دیفیوزر از بحث هاي حاي ز اهمیت در این موضوع می باشد. تاکنون تحقیقات بسیار زیادي در زمینه دیفیوزر توسط محققان مختلفی انجام گرفته است. اکرت و همکاران[ 1 ] طراحی آیرودینامیکی و پیش بینی افت اجزاي یک تونل باد مادون صوت را بررسی نموده و روابطی را براي بدست آوردن ضریب افت فشار در دیفیوزرهایی با شکل ورودي و خروجی مربعی دایروي و مستطیلی و یا ترکیبی از این ها اراي ه کردند. ون دن هف و تتروین[ ] براي بررسی جدایش جریان روش ضریب شکل را اراي ه کردند بدین صورت هنگامی که جریان لایه مرزي از نوع آرام می باشد مقدار ضریب شکل H براي شروع جدایش جریان برابر 35 است و هنگامی که جریان لایه مرزي از نوع مغشوش می باشد مقدار فوق براي شروع جدایش برابر 4 است از طرفی سنبرن و کلاین[ 3 ] نشان دادند که معیار جدایش بر اساس دو پارامتر است. یکی ضریب شکل H و * تلفن: پست الکترونیک: ardekani@irost.org

2 نشريه علمي- پژوهشي مهندسي هوانوردي سال چهار دهم شماره دوم پاييز 91 محمد علي اردكاني سيد مرتضي پرپنچي 68 ديگري پارامتر گراديان فشار كه هريك از اين معيارها محل نقطه جدايش را براي جريان هاي خارجي تقريبا با صحت يكساني پيش بيني مي كند. رنيو و همكاران[ 4 ] تحقيقات گسترده اي بر روي ديفيوزرهاي دوبعدي و مستقيم به صورت تجربي انجام دادند. نتايج تحقيقات آن ها نشان داد كه اگر نسبت طول ديفيوزر به عرض ورودي آن ثابت نگه داشته شود و بتوان تا حدودي از اغتشاشات جريان در ورودي چشم پوشي كرد مطابق با افزايش زاويه واگرايي ديفيوزر چهار رژيم جريان به ترتيب زير ظاهر مي شوند: رژيم جريان وامانده نامحسوس كه در آن يك جريان لزج پايدار داريم و جدايش جريان در آن وجود ندارد. رژيم وامانده گذرا كه در آن به غير از يك لايه مرزي جدا شده بقيه به طور پيوسته باقي مي ماند. رژيم وامانده كاملا توسعه يافته كه لايه مرزي در رژيم قبلي توسعه يافته و تبديل به يك ناحيه گردابه اي بزرگ شده است. در اين ناحيه ممكن است الگوي واماندگي از يك ديواره به ديواره ديگر منتقل شود. رژيم جريان جت كه در آن جدايش از روي ديوارهها فراگير مي شود و جريان اصلي از روي ديواره ها كاملا جدا مي شود. در اين ناحيه كاهش عملكرد ديفيوز به حداكثر ميزان خود مي رسد. ويتمن و همكاران[ 5 ] اثرات ضخامت لايه مرزي جريان در ورودي ديفيوزرهاي دو بعدي با ديواره هاي تخت را بررسي كردند و متوجه شدند كه افزايش ضخامت لايه مرزي اثراتي را روي رژيم هاي جريان مي گذارد و سبب كاهش عملكرد ديفيوزرها مي شود. كاكرن و كلاين[ 6 ] از پرههاي تخت كوتاه براي به تاخير انداختن نقطه جدايش جريان در ديفيوزرهاي مادون صوت دو بعدي با زاويه باز استفاده كردند كه با اين كار توانستند عملكرد ديفيوزر را تا حدودي افزايش دهند. فوريه و همكاران[ 7 ] از مكش لايه مرزي در ورودي ديفيوزر به عنوان روشي براي جلوگيري از جدايش جريان استفاده كردند. آزمايشات آن ها براي ديفيوزرهاي مخروطي با زاويه واگرايي تا درجه و با نسبت سطح خروجي به ورودي 4 انجام شد. نتايج نشان داد كه ضريب افت فشار تا مقدار 0 براي تمام زواياي واگرايي وقتي كه نرخ كميت مكش تا % است كاهش مي يابد. راي و و راجو[ 8 ] از صفحههاي جداكننده براي كنترل جريان در ديفيوزرهاي مخروطي با زاويه واگرايي 38 درجه و نسبت سطح 15 استفاده كردند. اين صفحه ها سبب شده جريان هوا در ديفيوزر به چند قسمت تقسيم شده و زاويه ديفيوزر كاهش يابد و در نتيجه جريان هوا در خروجي ديفيوزر يكنواخت شود. بنابراين براي يك جداكننده با موقعيت و شكل بهينه شده افت فشار اندازه گيري شده نشان داد كه عملكرد نزديك به %50 براي ديفيوزر مدل آزمايش شده با زاويه واگرايي 38 درجه و نسبت سطح 15 قابل دسترس است. سنو و همكاران[ 9 ] توانستند با استفاده از تيغه هايي كه در جريان توليد گردابه مي كنند كارايي ديفيوزر را افزايش دهند. آزمايشات آن ها براي ديفيوزرهايي با زاويه واگرايي و 30 درجه و با نسبت سطح 4 انجام شد. نتايج نشان داد كه اين تيغه هاي توليدكننده گردابه از جدايش جريان تا زاويه واگرايي 16 درجه جلوگيري مي كنند و ضريب بازيافت فشار در اين حالت به اندازه ضريب بازيافت فشار ديفيوزر 8 درجه است. همچنين اين تيغه ها به شكل موفقيت آميزي در ديواره واگراي يك تونل باد جهت جلوگيري از جدايش جريان توسط تيلور[ 10 ] استفاده شدند. مچا [11] عملكرد و طراحي اجزاي تونل بادهاي دمنده با ديفيوزرهاي زاويه باز را بررسي نمود. ديفيوزر زاويه باز قبل از اتاق آرامش قرار گرفته و با توجه به زاويه واگرايي آن جدايش جريان در آن اتفاق مي افتد. لذا براي كاهش جدايش جريان در ديفيوزر زاويه باز از توري استفاده شد. تعداد توري و نوع آن با توجه به زاويه واگرايي ديفيوزر و نسبت سطح خروجي به ورودي مشخص گرديد. در سال ها و دهه اخير تحقيقات انجام گرفته در ارتباط با ديفيوزر به صورت تجربي و عددي بوده و در بعضي از موارد كنترل جدايش و يا بررسي پديده فوق از موضوع هاي مطرح بوده است. ربيعي و همكاران[ 1 ] ديفيوزر مخروطي تونل باد مادون صوتي را به صورت تجربي بررسي كرده و تاثير توليد كننده گردابه بر عملكرد ديفيوزر و كاهش مصرف انرژي را در آن مشخص نمودند. سامانتا و همكاران[ 13 ] اثر غير يكنواختي جريان در ورودي ديفيوزر را به صورت تجربي مورد بررسي قرار دادند و نشان دادند كه اين اثر سبب كاهش پارامترهاي عملكردي ديفيوزر نظير ضريب بازيافت فشار مي شود. اپسلي و لچزينر[ 14 ] جريان جدا شده در ديفيوزر را به صورت عددي با استفاده از مدل هاي اغتشاشي مورد بررسي قرار دادند. همچنين هرست و همكاران[ 15 ] با استفاده از شبيه سازي عددي و مدل LES تاثير عدد رينولدز بر جدايش جريان در ديفيوزر را مورد بررسي قرار دادند. با افزايش عدد رينولدز جدايش جريان لايه مرزي در ديفيوزر كاهش مي يابد. همچنين

3 69 بررسی توزیع سرعت جریان هوا و اغتشاش هاي آن در یک دیفیوزر... سال چهاردهم شماره دوم پاییز 91 هی یانگسن و همکاران[ 16 ] با استفاده از روش هاي عددي و مدل K ε جریان مغشوش درون دیفیوزر مخروطی را بررسی نمودند. در این حالت دیفیوزر با زاویه 4 و 15 درجه مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به اي که در زاویه 15 درجه جدایش اتفاق می افتد به منظور کنترل جدایش از صفحه هاي مشبک و یا توري استفاده نمودند. تحقیقات انجام گرفته نشان می دهند که اگر دیفیوزر به صورت مخروطی شکل با زاویه رأس مخروط 5 درجه و با نسبت سطح خروجی به ورودي الی 5 طراحی شود کمترین تلفات را خواهد داشت[ 17 ]. با توجه به این که شرایط همواره در اختیار طراح نبوده و در بسیاري از موارد دیفیوزر به شکل هاي مختلف و سطوح غیر دایروي و با زاویه هاي غیر بهینه طراحی می شود در نتیجه افت فشار دیفیوزر مورد طراحی با دیفیوزر طراحی شده در حالت بهینه تفاوت خواهد داشت. براي تعیین افت فشار دیفیوزر معمولا از روش هاي تجربی استفاده می شود. بدین صورت که با اندازه گیري فشار کل در ورودي و خروجی دیفیوزر می توان افت فشار دیفیوزر را اندازه گیري نمود. همچنین می توان با اندازه گیري توزیع فشار استاتیکی بر روي بدنه دیفیوزر و اختلاف آن با توزیع فشار حالت ایده آل (برنولی) افت فشار دیفیوزر را مشروط بر این که توزیع سرعت در خروجی دیفیوزر یکنواخت باشد بدست آورد. در صورتی که توزیع سرعت یکنواخت نباشد باید از ضریب تصحیح انرزي جنبشی استفاده کرد و افت فشار را اصلاح نموده و مقدار واقعی آن را تعیین کرد. لذا اندازه گیري توزیع سرعت در ورودي و خروجی دیفیوزر از اهمیت بالایی برخوردار است. همچنین با اندازه گیري توزیع سرعت در امتداد دیفیوزر میتوان پدیده جدایش جریان و مکان آن را بررسی نموده و در صورت امکان از آن جلوگیري کرد. در این مقاله به بررسی توزیع سرعت جریان در دیفیوزر مورد استفاده در طرح تونل باد عمودي پرداخته و از نتایج آن براي پی بردن به جدایش و افت فشار واقعی دیفیوزر استفاده می شود. - روش آزمایش آزمایش هاي مورد نظر در آزمایشگاه مستقر در سایت تونل باد عمودي انجام گرفته است. ابعاد دیفیوزر مدل 78 درصد ابعاد دیفیوزر شکل 1 شکل مطابق باشد. می واقعی 160 آن ضلع هر و بوده ضلعی 8 ورودي میلی دیفیوزر است متر به و خروجی آن به شکل مربع به ضلع 500 میلی متر است. طول دیفیوزر 780 میلی متر بوده که نسبت سطح خروجی به ورودي آن 0 می باشد. جریان هوا در دیفیوزر فوق در حالت هاي قرار آزمایش مورد مکنده و دمنده به توجه با گرفته است. شکل 1 می توان دریافت که صفحه هاي دیفیوزر داراي دو نوع زاویه متفاوت می باشد که زوایاي آن به طور ناگهانی افزایش پیدا نکرده است. زاویه کوچکتر دیفیوزر 343 درجه و زاویه بزرگتر آن 1066 درجه است. با توجه به زاویه هاي فوق در صورتی که ورودي دیفیوزر دایروي و خروجی آن مربع در نظر گرفته شود زاویه معادل برابر 579 درجه خواهد بود. شکل - 1 مدل 78 درصدي دیفیوزر اصلی شکل تونل باد مدار باز دمنده را نشان می دهد که با استفاده از آن دیفیوزر در حالت دمنده مورد آزمایش قرار گرفته است. همان طور که در شکل نشان داده شده است تونل باد فوق داراي یک فن سانتریفیوژ بوده که با استفاده از کنترل دور سرعت دورانی فن آن کنترل شده و در نتیجه سرعت جریان هوا در آن تنظیم می شود. تونل باد فوق داراي یک عدد دیفیوزر زاویه باز و اتاق آرامش می باشد. به منظور جلوگیري از جدایش جریان در دیفیوزر زاویه باز در آن دو عدد توري تعبیه شده و همچنین در اتاق آرامش آن علاوه بر لانه زنبوري دو عدد توري دیگر نیز جهت کاهش شدت اغتشاشات و یکنواخت نمودن جریان هوا در آن قرار داده شده است. پس از اتاق آرامش مبدل 4 ضلعی به 8 ضلعی قرار داشته و پس از آن نازل 8 ضلعی مشابه نازل تونل باد عمودي و پس از نازل اتاق آزمون و پس از آن دیفیوزر مورد آزمایش قرار گرفته است.

4 سال چهار دهم شماره دوم پاییز 91 محمد علی اردکانی سید مرتضی پرپنچی پاسکال و دقت اندازه گیري آن %05 نسبت به خط شکل - تونل باد مدار باز دمنده براي اندازه گیري توزیع سرعت جریان هوا و شدت اغتشاش هاي آن از جریان سنج سیم داغ ساخت شرکت فراسنجش صبا مطابق شکل 3 استفاده شده است. شکل 3- مکانیزم انتقال دهنده مورد استفاده براي اندازه گیري توزیع سرعت پراب جریان سنج سیم داغ از نوع یک بعدي بوده و سنسور آن از نوع تنگستن 5 میکرونی می باشد و داده هاي اندازه گیري شده توسط جریان سنج سیم داغ از طریق کارت AD به رایانه ارسال شده و توسط نرم افزار مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد. همچنین به منظور اصلاح نمودن تاثیرات دما بر روي داده هاي جریان سنج سیم داغ دماي هوا اندازه گیري شده و از طریق کارت AD به رایانه ارسال می شود. براي اندازه گیري فشار استاتیک از فشارسنج الکترونیکی 30 کاناله استفاده شده است که خروجی فشارسنج هاي فوق از طریق کارت AD به رایانه ارسال و توسط نرم افزار تجزیه تحلیل می شوند. فشارسنج مورد استفاده از نوع دیفرانسیلی 1 مربوط به شرکت هانیول بوده و بازه عملکرد فشارسنج فوق راست می باشد. لذا دقت اندازه گیري در فشار 150 پاسکال معادل 31 پاسکال و براي فشار 500 پاسکال این مقدار 15 پاسکال خواهد بود. همچنین خطاي کلی که ناشی از تاثیر دما هیسترزیس سنسور غیر خطی بودن سنسور کالیبراسیون نقطه صفر و... حدود %1 فشار اندازه گیري می باشد. همان گونه که در شکل 3 نشان داده شده است به منظور جابجایی پراب براي اندازه گیري پروفیل جریان هوا از مکانیزم انتقال دهنده استفاده می شود و این مکانیزم داراي دقت 01 میلی متر در جهت محورهاي مختصات می باشد. کنترل حرکت پراب با استفاده از مکانیزم انتقال دهنده توسط رایانه انجام می شود. اندازه گیري با استفاده از جریان سنج سیم داغ همانند دستگاههاي دیگر داراي خطا می باشد که باید آن را به حداقل رسانید. منشا خطاهاي دستگاه جریان سنج سیم داغ را میتوان خطاهاي ناشی از دستگاه کالیبراتور منحنی کالیبراسیون دقت تفکیک پذیري کارت AD و تغییرات دما دانست. کالیبراسیون جریان سنج سیم داغ با استفاده از تونل باد و لوله استاتیکی پیتوت در جریان با شدت اغتشاش کمتر از % 0 انجام پذیرفته است. خطاي ذاتی لوله استاتیکی پیتوت کمتر از % 03 می باشد. پس از کالیبره نمودن جریان سنج سیم داغ رابطه و ولتاژ و سرعت را با استفاده از منحنی چندجمله اي درجه 4 برازش نموده که خطاي آن نیز کمتر از %05 خواهد بود. کارت AD مورد استفاده 1 بیتی بوده و بازه آن بین 10 ولت است و در صورتی که از تطبیق دهنده سیگنال استفاده شود خطاي تفکیک پذیري آن نیز کمتر از %005 می باشد. تغییرات دما تاثیر نامطلوبی بر دقت جریان سنج سیم داغ داشته به طوري که خطا براي تغییر 1 درجه سلیسیوس دماي محیط حدود % ایجاد می شود که اصلاح نمودن آن را میتوان به 01 درصد کاهش داد [18]. با توجه به توضیحات اراي ه شده می توان خطاي کلی اندازه گیري را حدود %1 در نظر گرفت. جزي یات بیشتر از جریان سنج سیم داغ در مرجع [19] اراي ه شده است. -3 بحث و نتایج شکل 4 مقاطع دیفیوزر را که در آن توزیع سرعت جریان هوا و شدت اغتشاش هاي آن اندازه گیري شده است را نشان

5 71 بررسی توزیع سرعت جریان هوا و اغتشاش هاي آن در یک دیفیوزر... سال چهاردهم شماره دوم پاییز 91 میدهد. فواصل مقاطع 1 تا 5 از مقطع ورودي دیفیوزر به ترتیب برابر و 716 سانتیمتر می باشد. شکل 4- سطح مقطع هاي دیفیوزر مورد آزمایش براي اندازه گیري سرعت و اغتشاش 1-3- بررسی تغییرات سرعت در دیفیوزر شکل هاي 5 و 6 تغییرات سرعت در 5 مقطع از دیفیوزر مورد آزمایش را به ترتیب براي سرعت هاي ورودي 3 و 175 متر بر ثانیه نشان می دهند. همان گونه که مشاهده می شود با افزایش فاصله از ورودي دیفیوزر سرعت از مقطع 1 تا مقطع 5 رفته رفته کاهش می یابد. بنابراین با کاهش سرعت درخروجی دیفیوزر فشار دینامیکی کاهش یافته و در نتیجه فشار استاتیک افزایش می یابد. آزمایش فوق براي سرعت هاي ورودي 1198 و 63 متر بر ثانیه نیز انجام شد و نتایج مشابهی بدست آمد. شکل 6- مقایسه تغییرات سرعت در مقاطع مختلف دیفیوزر براي سرعت ورودي 175 متر بر ثانیه شکل 7 توزیع دوبعدي سرعت در دهانه ورودي دیفیوزر براي سرعت ورودي 147 متر بر ثانیه شکل 5- مقایسه تغییرات سرعت در مقاطع مختلف دیفیوزر براي سرعت ورودي 33 متر بر ثانیه شکل 8- توزیع دوبعدي سرعت در دهانه خروجی دیفیوزر براي سرعت ورودي 147 متر بر ثانیه

6 و 5 سال چهار دهم شماره دوم پاییز 91 محمد علی اردکانی سید مرتضی پرپنچی 7 شکل هاي 7 و 8 توزیع دوبعدي سرعت در ورودي و خروجی دیفیوزر را براي سرعت ورودي 147 متر بر ثانیه نشان می دهند. در شکل 7 توزیع سرعت در ورودي دیفیوزر تقریبا به صورت یکنواخت است در حالی که در خروجی دیفیوزر مطابق شکل 8 غیر یکنواخت می باشد. این غیر یکنواختی تاثیر زیادي در اندازه گیري افت فشار واقعی دارد. براي بدست آوردن افت فشار واقعی نیاز است که ضریب تصحیح انرژي جنبشی را طبق رابطه زیر بدست آورد[ 0 ]: 1 A u U A 3 da ( 1) بنابراین با توجه به شکل هاي فوق و رابطه (1) ضریب تصجیج انرژي جنبشی در ورودي و خروجی دیفیوزر به ترتیب برابر 1035 و 154 بدست آمده است همچنین با به کار بردن ضریب تصحیح انرژي جنبشی براي جریان غیر یکنواخت افت فشار کل واقعی به صورت زیر بیان می شود[ 19 ]: P Total 1 P P U U s1 s در رابطه فوق P s P s1 فشار استاتیک و U U 1 سرعت متوسط جریان به ترتیب در مقاطع ورودي و خروجی دیفیوزر 1 1 () می باشند. توزیع فشار استاتیک اندازه گیري شده در امتداد دیفیوزر به همراه توزیع فشار استاتیک پس از اصلاح غیر یکنواختی سرعت در شکل 9 نشان داده شده است. همچنین در شکل فوق توزیع فشار استاتیک در حالت ایده آل (برنولی) نیز نشان داده شده است. اختلاف مقدار فشار استاتیک با برنولی افت فشار می باشد. در صورتی که اثر غیر یکنواختی سرعت در افت فشار اصلاح نشود مقدار افت فشار برابر 9 پاسکال خواهد بود ولی افت فشار واقعی برابر 17 پاسکال است. به عبارت دیگر اگر اثر غیر یکنواختی سرعت در افت فشار اصلاح نشود ضریب افت فشار K P برابر 05 خواهد شد ولی ضریب 1 U 1 افت واقعی برابر 014 است. شکل 9- توزیع فشار استاتیک در امتداد دیفیوزر براي سرعت ورودي 15 متر بر ثانیه -3- بررسی تغییرات پارامترهاي لایه مرزي در دیفیوزر به طور کلی براي تعیین جدایش و محل آن روش هاي مختلفی وجود دارد. از جمله می توان توزیع سرعت جریان هوا در لایه مرزي را بررسی نموده ) منحنی بخش 1-3) و یا آن که با بررسی ضریب شکل لایه مرزي[ و 1 ] جدایش را مشخص نمود. پارامترهاي لایه مرزي عبارتند از: ضخامت جابه جایی * ضخامت ممنتوم و ضریب شکل H می باشد که طبق روابط زیر بدست می آیند: * 0 0 u 1 dy U 1 * H u U u U dy ( 3) (4) (5) شکل هاي و 1 به ترتیب تغییرات ضخامت جابجایی لایه مرزي تغییرات ضخامت ممنتوم و تغییرات ضریب شکل را در امتداد دیفیوزر براي سرعت هاي مختلف نشان می دهند. با توجه به شکل هاي فوق با افزایش فاصله از مقطع ورودي دیفیوزر ضخامت لایه مرزي و ضخامت ممنتوم افزایش ولی ضریب شکل مقدار کمی کاهش می یابد. مطابق مراجع ] 1] براي لایه مرزي مغشوش در صورتی که ضریب شکل توزیع سرعت به مقدار 4 برسد جدایش اتفاق می افتد بنابراین با توجه به شکل 1 مقدار ضریب شکل در دیفیوزر

7 73 بررسی توزیع سرعت جریان هوا و اغتشاش هاي آن در یک دیفیوزر... سال چهاردهم شماره دوم پاییز 91 مورد آزمایش کمتر از 4 می باشد که بیانگر عدم وجود جدایش جریان در دیفیوزر فوق است بررسی تغییرات اغتشاش هاي جریان در دیفیوزر شدت اغتشاش هاي جریان طبق رابطه زیر بیان می شود: Tu% u U 100 ( 6) شکل 10- تغییرات ضخامت جابجایی در امتداد دیفیوزر شکل 11- تغییرات ضخامت ممنتوم در امتداد دیفیوزر در رابطه فوق U سرعت متوسط جریان هوا در خارج از u لایه مررزي اغتشاش هاي جریان و یا در واقع تفاوت مقدار سرعت لحظه اي با سرعت متوسط جریان هوا می باشد. شکل 13 تغییرات اغتشاش هاي جریان هوا را در امتداد لایه مرزي در مقطع در سرعت هاي مختلف نشان می دهد. همان گونه که در شکل فوق نشان داده شده است مقدار شدت اغتشاش ها در لایه مرزي بسیار بوده و تا حدود %13 افزایش می یابد. با خارج شدن از لایه مرزي مقدار فوق کاهش یافته و به حدود %1 می رسد. شکل 13- تغییرات اغتشاش هاي جریان در امتداد لایه مرزي دیفیوزر در مقطع براي سرعت هاي مختلف شکل 1 - تغییرات ضریب شکل در امتداد دیفیوزر شکل 14 تغییرات شدت اغتشاش هاي جریان را در مقاطع مختلف و در مکان ضخامت جابجایی لایه مرزي در امتداد دیفیوزر نشان می دهد. همان طور که در شکل فوق نشان داده شده است با افزایش فاصله از دهانه ورودي دیفیوزر شدت اغتشاش هاي جریان به دلیل کاهش فشار دینامیکی که در دیفیوزر فوق رخ می دهد کاهش می یابد. همان گونه که در شکل فوق نیز نشان داده شده است در صورتی که در دیفیوزر جدایش اتفاق نیافتد دیفیوزر سبب کاهش شدت اغتشاش هاي جریان می شود.

8 سال چهار دهم شماره دوم پاییز 91 محمد علی اردکانی سید مرتضی پرپنچی 74 شکل 14- مقایسه اغتشاشات جریان در دیفیوزر مورد آزمایش در تمام 5 مقطع همان طور که در قسمت قبل بیان شد با استفاده از روش ضریب شکل براي تشخیص جدایش نیاز است که مشخص شود جریان در دیفیوزر از نوع لایه مرزي آرام و یا مغشوش میباشد. در صورتی که لایه مرزي از نوع آرام باشد مقدار ضریب شکل براي جدایش حدود 35 و اگر از نوع مغشوش باشد مقدار ضریب شکل حدود 4 خواهد بود. بنابراین بهترین روش براي تشخیص نوع لایه مرزي مشخص نمودن شدت اغتشاش هاي جریان می باشد مقایسه عملکرد دیفیوزر در حالت دمنده و مکنده با توجه به این که تونل باد عمودي که براي عملیات سقوط آزاد طراحی شده از نوع مکنده می باشد دیفیوزر فوق در حالت مکشی نیز مورد آزمایش قرار گرفت. بدین منظور از تونل باد مدار باز مکنده استفاده شده و تغییرات فشار استاتیک در امتداد دیفیوزر اندازه گیري شده است. شکل 15 توزیع ضریب بازیافت فشار در حالت هاي دمنده و مکنده را نشان می دهد. ضریب بازیافت فشار معیار سنجش عملکرد دیفیوزر می باشد که مطابق رابطه زیر تعریف می شود[ 17 ]: P Pi CP 1 U i سرعت متوسط جریان (7) در رابطه فوق P i فشار استاتیک و هوا درمقطع ورودي دیفیوزر و U i چگالی هوا می باشند. شکل 15- تغییرات ضریب بازیافت فشار در حالت دمنده و مکنده همان گونه که در شکل فوق نشان داده شده است با افزایش فاصله از ورودي دیفیوزر ضریب بازیافت فشار افزایش می یابد لذا با توجه به عدم گرادیان فشار صفر و یا منفی جدایش قوي وجود ندارد. همچنین در شکل فوق منحنی ضریب بازیافت فشار در حالت ایده آل (برنولی) نیز نشان داده شده است. اختلاف ضریب بازیافت فشار در حالت هاي مکنده و K C Pi برابر ضریب افت فشار یا دمنده طبق رابطه C p می باشد. با توجه به شکل 15 مشخص می شود که عملکرد دیفیوزر در حالت هاي دمنده و مکنده مشابه می باشند ولی اختلاف ضریب بازیافت فشار C P در حالت مکنده با حالت ایده آل (برنولی) مقداري کمتر از حالت دمنده است و در نتیجه ضریب افت فشار آن نیز مقداري کمتر خواهد بود. شکل 16- تغییرات ضرایب بازیافت فشار محلی در برابر ضریب بازیافت فشار ایده آل

9 و 75 بررسی توزیع سرعت جریان هوا و اغتشاش هاي آن در یک دیفیوزر... سال چهاردهم شماره دوم پاییز 91 به منظور بررسی بهتر پدیده جدایش منحنی تغییرات ضریب بازیافت فشار محلی در برابر ضریب بازیافت فشار ایده آل در شکل 16 براي حالت هاي دمنده و مکنده نشان داده شده است. همچنین در شکل 15 داده هاي مربوط به مرجع[ 9 ] که در آن جدایش رخ داده است نیز نشان داده شده است. همان گونه که در شکل 16 مشاهده می شود مقادیر ضریب بازیافت فشار C P براي حالت هاي دمنده و مکنده بر روي خط راست از مبداء می گذرند و دچار انحراف شدید نشده اند. لذا این موضوع بیانگر عدم جدایش قابل ملاحظه می باشد. لازم به ذکر است که در حالت مکنده مقدار انحراف ضریب بازیافت فشار میباشد. C P محلی از خط راست کمتر از حالت دمنده 4- نتیجه گیري هدف اصلی این مقاله بررسی دیفیوزر تونل باد عمودي که براي عملیات سقوط آزاد استفاده می شود. این دیفیوزر داراي ورودي 8 ضلعی و خروجی 4 ضلعی می باشد. صفحه هاي دیفیوزر نسبت به محور مرکزي آن داراي دو زاویه 343 و 1066 درجه می باشد. تعیین مقدار افت فشار واقعی دیفیوزر و همچنین بررسی پدیده جدایش از اهمیت زیادي برخوردار است. لذا تحقیقات تجربی براي دیفیوزر فوق انجام شده و با توجه به تحقیقات اراي ه شده می توان نتایج زیر را به اختصار بیان نمود: توزیع سرعت جریان هوا در امتداد لایه مرزي دیفیوزر بررسی شده و با توجه به اینکه گرادیان معکوس در پروفیل سرعت مشاهده نشده است جدایش در دیفیوزر مورد آزمایش اتفاق نیافتاده است. با توجه به اینکه جریان هوا در لایه مرزي دیفیوزر از نوع مغشوش می باشد در صورتی که ضریب شکل توزیع سرعت به مقدار 4 برسد جدایش اتفاق می افتد. بنابراین این ضریب شکل در امتداد دیفیوزر مورد آزمایش کمتر از مقدار 4 بدست آمد که بیانگر عدم جدایش جدایش جریان در دیفیوزر فوق است. با اندازه گیري سرعت جریان هوا در مقطع ورودي و خروجی دیفیوزر مورد آزمایش توزیع دو بعدي سرعت و در نتیجه ضریب تصحیح انرژي جنبشی بدست آمد. با استفاده از این ضریب افت فشار واقعی دیفیوزر تعیین شد که مقدار فوق به مراتب کمتر از حالتی است که این اصلاحات انجام نشده باشد. به عنوان مثال در سرعت 15 متر بر ثانیه در صورتی که اثر غیریکنواختی سرعت در افت فشار اصلاح نشود ضریب افت فشار برابر صورت اصلاح این ضریب برابر 014 است. 05 و در شدت اغتشاش هاي جریان در لایه مرزي در دیفیوزر فوق بررسی شده و مقدار آن بالاتر از %10 بوده که نشان دهنده جریان مغشوش می باشد. با توجه به مراجع ] 0] در صورتی که ضریب شکل توزیع سرعت به مقدار 4 برسد جدایش اتفاق می افتد. نتایج اندازه گیري شده نشان میدهد که تغییرات ضریب شکل در امتداد دیفیوزر فوق کمتر از دیفیوزر 8-5 می باشد که بیانگر عدم جدایش جریان در ضلعی به 4 ضلعی فوق است. با بررسی ضریب بازیافت فشار دیفیوزر مورد آزمایش در حالت هاي دمنده و مکنده و مقایسه آن با ضریب بازیافت فشار ایده آل مشخص گردید که جدایش قابل توجهی اتفاق نیافتاده است. فهرست علاي م u u U U U i P i K P * H Tu % C P C Pi -6 پینوشتها ضریب تصحیح انرژي جنبشی سرعت لحظه اي تفاوت میان سرعت لحظه اي و سرعت متوسط سرعت متوسط سرعت در جریان آزاد سرعت متوسط در مقطع ورودي فشار استاتیک در مقطع ورودي ضریب افت فشار افت فشار کل ضخامت جابجایی ضخامت ممنتوم ضریب شکل شدت اغتشاش هاي جریان ضریب بازیافت فشار ضریب بازیافت فشار ایده آل چگالی هوا 1- - Honeywell Hysteresis

10 " سال چهار دهم شماره دوم پاییز 91 محمد علی اردکانی سید مرتضی پرپنچی 76 [15] [16] Diffuser Flow, Turbulence and Combustion Kluwer Academic Publishers. Printed in the Netherlands,1999; pp Herbst A. H., Schlatter p., Henningson D. S., Simulations of Turbulent Flow in a Plane Asymmetric Diffuser Flow Turbulence Combust, No 79,007; pp He Yongsen., Toshio Kobayashi., Youhei Morinishi., Numereical Prediction Of Turbulent Flow In A Conical Diffuser Using K ε Model ACTA Mecanical Sinica, Vol.8, No., منابع و مراجع اردکانی محمد علی طراحی و کاربرد) " تونل باد با سرعت پایین (اصول انتشارات دانشگاه صنعتی خواجه [18] نصیرالدین طوسی تهران [17] M.A. Ardekani, F. Farhani., Experimental study on response of hot wire and cylindrical hot film anemometers operating under varying fluid temperatures ; Flow Measurement and Instrumentation., 009; pp اردکانی محمد علی "جریان سنج سیم داغ" انتشارات [0] [1] [] دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی تهران [19] Dixon S.L., Fluid Mechanics, Thermodynamics Of Turbo machinery., 5th ed., London, British Library Cataloguing in Publication Data, 005. White F.M.,, Fluid Mechanics, 4th ed., McGraw-Hill, New York, 001. Barlow J.B., Rate W.H., Pope A., Low Speed Wind Tunnel Testing ; New York, Wiley [1] Eckert T., Mort W., Jope J,. Aerodynamic Design Guidelines And Computer Program For Estimation Of Subsonic Wind Tunnel Performance,, NASA, NT D-843;1976. [] Von Den hoff A.E., Tetervin N., Determination Of General Relation For The Behavior Of Turbulent Boundary Layer., NACA [3] Sanborn V.A., Kline S.J., Flow Models In Boundary Layer Stall Inception New York, ASME vol.83, No.3, [4] Reneau L.R., Johnston J.P., Kline S.J., Performance And Design Of Straight, Two Dimensional Diffuser New York, ASME, No.66, 1967; pp [5] Waitman B.A, Reneau L.R, Kline S.J., Effect Of Inlet Condition On Performance Of Two- Dimensional Diffusers ; New York, ASME, Serise D, Vol 83, 1961; pp [6] Cochran D.L., Kline S.J., The Use Of Short Flat Vanes For Producting Efficient Wide-Angle Two-Dimensional Subsonic Diffusers ; Washington, NACA, TN 4309,1985. [7] Furuya Y., Sato T., Kushada T., The Loss Of Flow In The Conical Diffusers With Suction At The Entrance ; Bulletin OF JSME, Vol. 9, No. 33,1966; pp [8] Rao D.M., Raju K.N., The Use Of Splitters For Flow Control In Wide Angle Conical Diffusers ; Bangalore, National Aeronautical Laboratory, No.TN-AE, 1964; PP [9] Senoo Y., Nishi M., Improvement Of The Performance Of The Conical Diffusers By Vortex Generators ; New York, ASME, No.73, 1974; pp [10] Taylor H.D., Fluid Mixing By Vortex Generators ; New York, ASME, [11] Mehta RD., The Aerodynamic Design Of Blower Wind Tunnels With Wide Angle Diffusers London, Prog Aerospace Sci,Vol. 18, pp ربیعی علیرضا قدك فرهاد حقیري عبدالعلی " تحلیل تجربی یک تولید کننده گردابه بر عملکرد یک دیفیوزر مخروطی مادون صوت" نشریه مکانیک و هوافضا جلد 4 شماره 1 تابستان 1387 از صفحه 15 الی 4. [1] [13] [14] Samantha H. Feakins, Douglas G. MacMartin, and Richard M. Murray. Dynamic Separation Control In A Low-Speed Aymmetric Diffuser With Varying Down Stream Boundary Condition Fluid Dynamics Conference, AIAA Apsley D.D, Leschziner M.A., Advanced Turbulence Modelling of Separated Flow in a