3.5.1. Trường dòng bao quanh trụ
Hình 3.18 Hình ảnh dòng chảy bao quanh trụ qua mô phỏng với Re = 6000, L/d =10
72
Hình 3.19 Hình ảnh dòng chảy bao quanh trụ qua thực nghiệm với Re = 6000, L/d =5
73
Hình 3.20 Hình ảnh dòng chảy bao quanh trụ qua mô phỏng với Re = 6000, L/d =4 và L/d =2,5
74
Hình 3.21 Hình ảnh về Contours nhiệt độ tổng xung quanh trụ với Re = 6000, D=0,05m
3.6. Kết quả đạt được
3.6.1. Nhận xét về kết quả thí nghiệm và mô phỏng
Từ các đồ thị biểu diễn trên ta thấy khi số Re hoặc tỷ số hình dạng L/d nhỏ thì số
Nu tăng vì vậy khả năng trao đổi nhiệt củng tăng theo. Kết quả của mô phỏng và thực nghiệm cho kết quả tương tự nhau bởi vậy đã phản ảnh đúng bản chất thực tế
của quá trình trao đổi nhiệt đối lưu của dòng chảy bao quanh trụ.
Từ các kết quả thực nghiệm và mô phỏng về hình ảnh nhiệt trên mặt trụ, ta thấy xuất hiện vùng mà nhiệt cục bộ khá lớn so với nhiệt độ trung bình trên mặt trụ. Vậy tại vị trí ấy có sự trao đổi nhiệt kém nhất – để giải thích hiện tượng này chúng ta xem dòng chảy bao quanh trụ:
75
Hình 3.22 Hình ảnh dòng chảy bao quanh trụ
Ta thấy trên mặt trụ xuất hiện các điểm tách thành. Sau khi tách thành xuất hiện vùng chảy rối và chảy xoáy sau trụ. Xét tại điểm tách thành, tại đó tương tác giữa dòng chảy và thành trụ là kém nhất. Còn những điểm tách thành vẫn tương tác tốt hơn là do có xoáy của chất lỏng . Vì vậy để giải thích cho hiện tượng nhiệt độ cục bộ lớn tại một số vị trí trên bề mặt trụ chính là do ảnh hưởng của hiện tượng tách dòng. Tìm vị trí tách dòng và nhiệt độ tại đó thay đổi thế nào khi Re thay đổi ta sẽ
tìm hiều ở phần tiếp theo.
3.6.2. Vùng đối lưu hỗn hợp
Như phần phần lý thuyết ta đã đề cập. Vùng đối lưu hỗn hợp có số Nu = f(Pr, Re, Ri) hoặc Nu = f(Pr, Re, Gr). Vì vậy để xác định vùng đối lưu hỗn hợp ta dùng nghiên cứu thực nghiệm hoặc theo nghiên cứu lý thuyết.
Với :
+ Ri < 10 đối lưu tự nhiên + Ri < 1 đối lưu cưỡng bức + 1< Ri < 10 đối lưu hỗn hợp
76 Ri Ta thấy: Vùng đối lưu hỗn hợp là vùng có 1< Ri < 10 + Với L/d =5 vùng đối lưu hỗn hợp là vùng có hệ số 1900< Re <12000 + Với L/d =10 vùng đối lưu hỗn hợp là vùng có hệ số 3200 < Re <12000 + Với L/d =15 vùng đối lưu hỗn hợp là vùng có hệ số 3500 < Re <15500 + Với L/d =20 vùng đối lưu hỗn hợp là vùng có hệ số 3700 < Re < 16000 + Với L/d =25 vùng đối lưu hỗn hợp là vùng có hệ số 3900 < Re <17000 Đặc trưng của vùng đối lưu hỗn hợp giống với hai dạng đối lưu còn lại là đối lưu cưỡng bức và đối lưu tự nhiên như: Khi Re tăng hoặc tỷ số hình dạng
L/ d giảm thì quá trình trao đổi nhiệt tốt hơn. Vai trò của đối lưu cưỡng bức càng mạnh khi số Re tăng và tỷ số hình dạng giảm trong khi vai trò của đối lưu tự nhiên thì ngược lại. Trong đối lưu hỗn hợp có sựảnh hưởng do tương tác dòng giữa dòng chảy chính và dòng do đối lưu tự nhiên sinh ra bởi vậy tạo nên những vùng chảy rối phức tạp. Cường độ của chảy rối ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt trên bề mặt trụ. Sự phát triển của xoáy phụ
thuộc vào Re và kích thước trụ.
77
Hình 3.23 Xoáy quanh trụ với Re = 3000, D = 100mm
78
Hình 3.25 Xoáy quanh trụ với Re = 12000, D = 50mm
Xoáy càng lớn tương ứng cường độ mạnh hơn do đó nó ảnh hưởng tới quá trình trao đổi nhiệt ở vùng sau trụ. Như trong kết quả thí nghiệm và mô phỏng ta thấy xoáy sau trụ càng mạnh thì quá trình trao đổi nhiệt càng lớn.
79
Hình 3.26 Contour nhiệt tại mặt cắt x = 0, L/D =5, Re = 3000
Hình 3.27Contour nhiệt tại mặt cắt x = 0, L/D =10, Re = 3000
Độ rộng của xoáy ít thay đổi trong vùng hỗn hợp khi cùng hình dạng nhưng Re khác nhau. Do ảnh hưởng của xoáy sau trụ, điểm tách thành và dòng chảy bao quanh phía trước trụ
nên quá trình trao đổi nhiệt bị cục bộ tại các vị trí khác nhau cũng khác nhau.
80
Tỷ số hình dạng khác nhau thì trong vùng đối lưu hỗn hợp cũng khác nhau. Khi tỷ
81
CHƯƠNG IV : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận:
Đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm quá trình trao đổi nhiệt đối lưu hỗn hợp bao quanh vật thể xác định” là một đề tài vừa mang tính nghiên cứu lý thuyết cao nhưng cũng rất thiết thực phù hợp cho mục đích thực hiện các thí nghiệm. Cụ thểđã nghiên cứu và thí nghiệm về trao đổi nhiệt đối lưu hỗn hợp – đó là một quá trình trình truyền nhiệt tương đối phức tạp. Có nhiều tham sốảnh hưởng đến hiện tượng này, trong quá trình thực hiện thí nghiệm và tính toán đề tài đã xác định được những yếu tố đó: như yếu tố tỷ số hình dạng, chỉ số
Re, góc xoay. Mô hình thí nghiệm đã cố gắng thiết kế để loại bỏ tối đa những yếu tố dẫn
đến sai số như dòng đã được làm đều…, trụ nhiệt đã được quấn bằng dây điện trở với khoảng cách giữa các dây là rất nhỏ và đều nhau với mục đích tạo ra một thông lượng nhiệt không đổi trên bề mặt trụ. Qua quá trình nghiên cứu đã tìm hiểu được các ảnh hưởng của tham số đầu vào cũng như khoanh vùng của trao đổi nhiệt đối lưu hỗn hợp(trong thí nghiệm đó là vùng có 6000< Re< 15000), các vị trí mà khả năng tỏa nhiệt thấp nhất đó là góc 1200 , 2400 và góc 1800 . Kết quả luận văn nghiên cứu sẽ góp phần thực hiện những thí nghiệm để xác định các thông số cho quá trình trao đổi nhiệt đối lưu đối với những vật thể mang những hình dạng khác nhau.
Kiến nghị:
Hướng phát triển của luận văn đó là nghiên cứu về những ảnh hưởng của tương tác dòng giữa dòng chính và dòng do đối lưu, yếu tố bề mặt làm thay đổi quá trình truyền nhiệt.Phát triển phân tích có phán đoán cấu trúc khí động học theo phương thẳng đứng, xoay góc, cấu trúc xoáy qua thí nghiệm đo nhiệt mà không cần camrea. Do hạn chế về mặt thời gian nên nếu có điều kiện tôi sẽ làm thí nghiệm với nhiều loại profile khác nhau.
82
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. G. Astarita, G. Marrucci, and G. Palumbo, Non-Newtonian gravity flow along inclined plane surface, Ind. Eng. Chem. Fundam. 3, pp. 333–339, 1964
2. N. Therien, B. Coupal, and J.L. Corneille, Verification experimentale de I’epaisseur du film pour des liquides non-Newtoniens s’ecoulant par gravite sur un plan incline, Can. J. Chem. Eng., 48, pp.17–20, 1970
3. N.D. Sylvester, J.S. Tyler, and A.H.P. Skelland, Non–Newtonian film fluids: theory and experiment, Can. J. Chem. Eng., 51, pp. 418–429, 1973
4. T.M.T. Yang and D.W. Yarbrough, A numerical study of the laminar flow of non-Newtonian fluids along a vertical wall, ASME J. App, Mech., 40, pp. 290– 292, 1973
5. T.M.T. Yang and D.W. Yarbrough, Laminar flow of non-Newtonian liquid films inside a vertical pipe, Rheol. Acta, 19, pp. 432–436, 1980
6. Murthy V. Narayana and P.K. Sarma, A note on hydrodynamics entrance length of non-Newtonian laminar falling films, Chem. Eng. Ser. 32, pp. 566–567, 1977 7. Murthy V. Narayana, and P.K. Sarma, Dynamics of developing laminar non- Newtonian falling liquid films with free surface. ASME J. Appl. Mech., 45, pp. 19–24, 1978
83
8. M.N. Tekic, D. Posarac, and D. Petrovic, A note on the entrance region lengths of non-Newtonian laminar falling films, Chem. Sci. 41, pp. 3230–3232, 1986 9. H.I. Andersson and F. Irgens, Hydrodynamic entrance length of non-Newtonian liquid films, Chem. Eng. Sci., 45, pp. 537–541, 1990
10. H.I. Andersson and F. Irgens, Gravity-driven laminar film flow of power-law fluids along vertical walls, J. Non-Newtonian Fluid Mech. 27, pp. 153–172, 1988 11. H.I. Andersson and F. Irgens, Film flow of power law fluids, Encyclopaedia of Fluid Mechanics, Gulf Publishing Company, Houston, T, 9, pp. 617–648, 1990 12. G. Astarita, Mass transfer from a flat solid surface to a falling non-Newtonian liquid film, Ind. Eng. Chem. Fundamentals, 5, pp. 14–18, 1966
13. R.A. Mashelker and V.V. Chavan, Solid dissolution in falling films of non- Newtonian liquids, J. Chem. Jpn, 6, pp. 160–167, 1973
References 359
14. H.I. Andersson and D.Y. Shang, An extended study of hydrodynamics of gravity-driven film flow of power-law fluids, Fluid Dyn. Res., 22, pp. 345–357, 1998
15. D.Y. Shang and J. Gu, Analyses of pseudo-similarity and boundary layer thickness for non-Newtonian falling film flow, Heat Mass Transfer, Vol. 41, No.1, pp.
44–50, 2004
84
flat plate, J. Non-Newtonian Fluid Mech., 66, pp. 127–144, 1998
17. A. Acrivos, M.J. Shah, and E.E. Peterson, Momentum and heat transfer in lamiar boundary-flows of non-Newtonian fluids past external surfaces, AICHE J. 6, pp. 312–317, 1960
18. H.I. Andersson and T.H. Toften, Numerical solution of the laminar boundary layer equations for power-law fluids, J. Non-Newtonian Fluid Mech. 32, pp. 175–195, 1989
19. A. Acrivos, M.J. Shah, and E.E. Peterson, On the solution of the twodimensional boundary-flow equations for a non-Newtonian power-law fluid,
Chem. Eng. Sci., 20, pp. 101–105, fluids past external surfaces, AICHE J. 6, pp. 312–317, 1965