چکیده
کلکتورهای مشبک بدون شیشه (که به عنوان کلکتورهای با صفحه ی جاذب سوراخ دار شناخته می‌شوند) پیشرفت جدیدی در زمینه ی تکنولوژی کلکتورهای خورشیدی هستند که در دهه ی آخر قرن 20 میلادی به منظور تهویه مطبوع معرفی شدند. کلکتورهای مشبک جایگزین مناسبی برای کلکتورهای مسطح با پوشش شیشه ای هستند و کاربرد های متفاوتی در صنایع کشاورزی و تهویه مطبوع دارند. در عین حال طراحی و پیش بینی عملکرد آنها بخاطر وجود پارامتر های هندسی متعدد هنوز دشوار می باشد. به همین علت در حال حاضر از شبیه سازیهای عددی برای پیش بینی کارایی گرمایی و بازده ی حرارتی آنها استفاده می شود. شبیه سازیهای عددی می توانند اطلاعات دقیقی را در مورد جریان سیال و انتقال حرارت در این نوع کلکتورها ارائه دهند. در این تحقیق شبیه سازی سه بعدی جریان مغشوش روی صفحات مشبک با منافذ ضربدری تحت مکش ناپیوسته ارائه شده است. برای حل معادلات حاکمه یعنی معادلات ناویر- استوکس و انرژی از یک کد تجاری در زمینه ی دینامیک سیالات محاسباتی استفاده شده است. تغییر پارامترهایی مثل ضخامت صفحه، تخلخل، سرعت مکش، سرعت باد و جهت آن نسبت به صفحه بررسی شده است. نتایج نشان دهنده ی این است که کارایی گرمایی صفحه و بازده ی حرارتی آن با تغییر جهت باد از حالت عمود بر صفحه ی مشبک به حالت موازی کاهش می یابد. همچنین کارایی گرمایی صفحه با افزایش پارامتر هایی مثل قطر هیدرولیکی شیارها، عدد رینولدز مربوط به شیار و نسبت سرعت مکش به سرعت باد کاهش می یابد.
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول: مقدمه
1-1- جریان سیال روی صفحات مشبک…………………………………………………………………….. 2
فصل دوم: مروری بر تحقیقات گذشته
2-1- کنترل جریان سیال برای آرام نگاه داشتن آن …………………………………………………………. 7
2-2- سرمایش ………………………………………………………………………………………………………… 8
2-3- کلکتورهای خورشیدی هواگرمکن مشبّک بدون پوشش (UTC)…………………………….. 9
2-4- حرکت سیال همراه با مکش یکنواخت پیوسته……………………………………………………….. 12
2-5- حرکت سیال همراه با مکش یکنواخت ناپیوسته……………………………………………………… 13
2-5-1- تحقیقات گل نشان و همکاران………………………………………………………………………….. 13
2-5-2-تحقیقات کائو……………………………………………………………………………………………………….. 17
2-5-3- تحقیقات آرولاناندام و ون دکر…………………………………………………………………………… 20
2-6- تحقیقات کوتچر در مورد UTCها( تئوری Heat Loss )…………………………………………. 20
2-6-1-بالانس حرارتی کلی برای UTC…………………………………………………………………………. 21
2-6-2- اتلاف حرارتی تشعشع برای کلکتور………………………………………………………………….. 22
2-6-3- اتلاف حرارت جابجایی……………………………………………………………………………………….. 22
2-6-4- جابجایی اجباری و جریان آرام………………………………………………………………………….. 22
عنوان صفحه
2-6-4-1- پروفیل سرعت……………………………………………………………………………………….. 22
2-6-4-2- ضخامت لایه مرزی…………………………………………………………………………………. 23
2-6-4-3- پروفیل دما……………………………………………………………………………………………….. 23
2-6-4-4- اتلاف حرارت جابجایی……………………………………………………………………………. 24
2-6-5- جابجایی آزاد و جریان آرام………………………………………………………………………………… 24
2-6-5-1- پروفیل سرعت…………………………………………………………………………………………. 24
2-6-6- جریان متلاطم…………………………………………………………………………………………………….. 26
2-6-7- کارایی تبادل گرما……………………………………………………………………………………………… 26
2-7- آنالیز حرارتی آگوستوس در مورد UTC …………………………………………………………… 27
2-7-1- فرضیات…………………………………………………………………………………………………………….. 27
2-7-2- معادله بالانس انرژی…………………………………………………………………………………………. 28
2-7-2-1- صفحه جاذب…………………………………………………………………………………………… 29
2-7-2-2- فاصله هوایی……………………………………………………………………………………………. 29
2-7-2-3- صفحه پشتی……………………………………………………………………………………………. 30
2-7-3- انتقال حرارت تابشی…………………………………………………………………………………………. 30
2-7-3-1- صفحه جاذب به محیط………………………………………………………………………… 30
2-7-3-2- صفحه جاذب به صفحه پشتی………………………………………………………………. 30
2-7-3-3- صفحه پشتی به محیط اطراف………………………………………………………………. 30
2-7-4- افت فشار……………………………………………………………………………………………………………. 31
2-7-5- نتایج شبیه سازی آگوستوس…………………………………………………………………………… 31
عنوان صفحه
فصل سوم: تعریف مسئله
3-1- مقدمه………………………………………………………………………………………… 33
3-2- تاریخچه دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)…………………………………………………………. 34
3-2-1- انواع شبکه‌ها و روشهای حل CFD……………………………………………………………….. 34
3-2-2- مراحل حل مسئله دینامیک سیالات محاسباتی……………………………………………… 36
3-3- معرفی نرم‌افزار Gambit…………………………………………………………………………………………….. 37
3-4- معرفی نرم‌افزار Fluent ……………………………………………………………………………………………… 37
3-5- توانایی‌های نرم‌افزار Fluent………………………………………………………………………………………… 37
3-6- تعریف مسئله……………………………………………………………………………………………………………….. 38
3-6-1- معادلات حاکمه در جریان موازی روی شیار…………………………………………………… 38
3-6-2- بی بعدکردن معادلات حاکمه در جریان موازی روی شیار…………………………….. 40
3-6-3- شرایط مرزی در جریان موازی روی صفحه شیاردار……………………………………… 42
3-6-4-معادلات حاکمه در جریان عمود و مایل روی یک ردیف از شیارها……………….. 44
3-6-5- معادلات مربوط به مدلسازی جریان متلاطم در جریان عمود ومایل روی
یک ردیف از شیارها………………………………………………………………………………………… 45
3-6-6- لایه مرزی Asymptotic …………………………………………………………………………………. 46
3-6-7- پارامترهای مربوط به کارایی UTC در جریان موازی………………………………………. 46
3-6-8- دامنه تغییرات متغیرها ……………………………………………………………………………………. 48
3-6-9- تئوری حل و شبکه انتخاب شده در جریان موازی روی شیار……………………….. 48
3-6-10-تئوری حل، شبکه انتخاب شده و شرایط مرزی در جریان عمود و مایل
روی یک ردیف از شیارها…………………………………………………………………………… 50
3-6-10-1- شرایط مرزی برای مسئله در حالت کلی ………………………………………….. 51
3-6-10-2 تولید هندسه…………………………………………………………………………………………. 53
3-6-10-3- تولید شبکه…………………………………………………………………………………………… 57
عنوان صفحه
فصل چهارم: نتایج
4-1- نتایج مربوط به جریان موازی روی یک شیار……………………………………………….. 65
4-1-1- تاثیر عدد رینولدز …………………………………………………………………………………. 66
4-1-2- اثر (سرعت باد/ سرعت مکش) ……………………………………………………………….. 68
4-1-3- تاثیر ضریب تخلخل صفحه ……………………………………………………………………….. 70
4-1-4- تاثیر هدایت حرارتی بی بعد (Admittance ) ………………………………………………. 70
4-1-5- اثرضخامت بدون بعد………………………………………………………………………………. 72
4-1-6- تاثیر زاویه باد ………………………………………………………………………………………. 73
4-1-7 -تاثیر جابجایی آزاد …………………………………………………………………………………… 74
4-2-نتایج جریان عمود روی یک ردیف از شیارها…………………………………………………………….. 75
4-2-1- تاثیر عدد رینولدز ……………………………………………………………………………………………. 75
4-2-2- تاثیر ضریب تخلخل صفحه………………………………………………………………………………… 76
4-2-3- تاثیر هدایت حرارتی بی بعد ……………………………………………………………………………. 77
4-2-4- اثرضخامت بدون بعد………………………………………………………………………………………….. 78
4-2-5- اثر تشعشع…………………………………………………………………………………………………………… 79
4-2-6-تاثیر عرض plenum…………………………………………………………………………………………….. 80
4-2-7- اثر تغییر زاویه باد روی صفحات مشبک با ابعاد محدود …………………………………. 81
فصل پنجم: نتایج و پیشنهادات
5-1- نتایج………………………………………………………………………………………………………………. 84
5-2-پیشنهاد ات………………………………………………………………………………………………85
فهرست مراجع……………………………………………………………………………………………….. 86
جریان سیال روی صفحات مشبک
نیاز مبرم انسان امروزی به استفاده از سوخت‌های مختلف و مشکل آلودگی محیط زیست که ناشی از استفاده نادرست و بی‌ رویه از این منابع سوختی است نسل امروز را به چاره‌اندیشی برای حل این مشکل قبل از پایان یافتن ذخایر انرژی وا‌داشته است. در این راستا انرژی خورشیدی در جهت تـامین قسمتی از انرژی مورد نیاز آینده جوامع بشری در اولویت قرار دارد. یکی از جدید ترین کاربردهای این انرژی استفاده از آن در تهویه مطبوع ساختمان های بزرگ از طریق پیش گرم کردن هوا به وسیله کلکتورهای مشبک بدون شیشه است. انتقال حرارت از صفحات مشبک به وسیله ی مکش سیال اخیراً در صنعت کاربردی نو یافته است. عملکرد کلکتورهای خورشیدی بدون شیشه که از صفحات جاذب مشبک بهره می برند، بر این اساس استوار است: مکش هوا باعث می شود تا لایه ی مرزی تشکیل شده در اثر وزش باد بر روی صفحه در حالت آرام باقی بماند

و انتقال حرارت از صفحه به هوا به صورت تنگاتنگ انجام شود و بدین سبب بازده ی این کلکتورها بیش تر از کلکتورهای معمولی می باشد.
تکنولوژی کلکتورهای خورشیدی مشبک بسیار ساده می­باشد. یک دیواره فلزی مشبک در سمت جنوبی و به فاصله 15سانتی متر از دیواره ساختمان قرار می­گیرد (شکل 1-1). این دیواره، انرژی حاصل از تابش را به گرما تبدیل می­کند. فن­ها در بالای دیوار نصب می­شوند و هوای بیرون را از میان سوراخها به درون می­مکند.
شکل(1-1) : شکل شماتیک کلکتوربدون شیشه با صفحات مشبک
کلکتورهای بدون شیشه با صفحات مشبک (UTC)[1] تکنولوژی نسبتاً جدیدی در کاربردهای انرژی خورشیدی می­باشند. از این کلکتورها در ساختمانهای بسیاری ازکشورها مثل کانادا،کشورهای اروپایی و آمریکا استفاده می­شود. علاوه بر بحث تهویه مطبوع از آنها می­توان برای خشک کردن سبزیجات و میوه­جات نیز استفاده کرد. باید توجه داشت که میزان دمای هوای گرم تولید شده وابسته به پارامتر های مختلفی است و می توان با تغییر این پارامترها میزان دمای هوای تولیدی را کنترل کرد.
نحوه جریان سیال و انتقال حرارت روی صفحات مشبک بدین صورت است که وقتی سیال از طریق صفحه سوراخدار مکیده می شود، درجه تخلخل صفحه، هندسه شیارها وقدرت مکش همگی بروی جریان سیال اثر می گذارند. اگر یکی از این دو محیط (سیال یا دیواره) دمای بالاتری داشته باشند انتقال حرارت در جهت کاهش اختلاف دما اتفاق می افتد. به جهت اینکه در واقعیت، وزش باد در جهات مختلف اتفاق می افتد صفحات شیاردار نسبت به صفحاتی که دارای سوراخهای دایره ای هستند، بازده بیشتری دارند بنابراین در این تحقیق از صفحات با شیارهای عمود بر هم استفاده شده است.


مروری بر تحقیقات گذشته
مطالعه انتقال حرارت وحرکت سیال مربوط به لایه مرزی یک جریان موازی با صفحه متخلخل، در دهه‌های گذشته موضوعی مورد علاقه بوده است. در اوایل دهه 60 میلادی زمانی که ثابت نگهداشتن دمای سطح در حدی غیر مضر و معمولی برای پره‌های توربین‌ها مسأله پرچالشی به حساب می‌آمد، بررسی لایه مرزی بر روی صفحات مشبّک اهمیت خاصی پیدا کرد و مطالعه و تحقیق در این زمینه بشدت وسعت یافت. در همان زمان استفاده از مکش بعنوان عامل موثری جهت کنترل جریان و آرام نگه داشتن آن بر روی بالهای هواپیماهای با سرعت بالا به
بررسی­های دامنه‌داری منجر گردید]1[. مکش که برای اولین بار در اوایل قرن بیستم میلادی توسط پرانتل[2] مطرح شده بود راه حل بسیار مناسبی جهت کاهش ضخامت لایه مرزی به حساب می‌آمد که تمایل جریان به مغشوش شدن را کمتر می‌نمود. در حقیقت این موضوع سبب می‌شد که ضریب پسا (Drag) پایین باقی بماند، زیرا که اساساً نیروی پسای ناشی از جریان آرام از نیروی پسای ناشی از جریان مغشوش کمتر است. این روش کنترل، جهت آرام نگه‌داشتن جریان، اولین بار توسط گریفیث[3] و مردیث[4] ]2 [پیشنهاد گردید که نتیجه آن در تحقیقات گل نشان نیز مشاهده می شود ]3[.
کنترل جریان سیال برای آرام نگه‌داشتن آن و سرمایش دو کاربرد مهندسی هستند که مستقیماً به تحقیق حاضر مرتبط می‌باشند، بنابراین کارهایی که حول این دو موضوع انجام شده است مرور خواهند شد. ابتدا کارهای انجام شده بر روی کنترل جریان آرام سیال و سپس مطالبی در مورد سرمایش بیان خواهد گردید. سپس کارهایی که برای کلکتورهای خورشیدی مشبک بدون پوشش صورت گرفته مدنظر قرار خواهند گرفت.
2-1- کنترل جریان سیال برای آرام نگاه داشتن آن
نتایج تحقیقات انجام شده بر روی کنترل جریان آرام در طی سالهای 1960-1940 میلادی در کتاب لاچمن[5]]1[ بخوبی خلاصه شده است. علمی بودن و میزان کارا بودن کاهش نیروی پسای ناشی از لزجت در هواپیماها از طریق کنترل جریان آرام با انجام یک سری تحقیقات گسترده توسط فنینجر و همکارانش که بیش از چهل سال بطول انجامید، مشخص شده است. این موضوع در یادداشتهای فنینجر[6] ]4[خلاصه شده است.
شکل معمول بیشتر تحقیقات در مورد کنترل جریان آرام مساله پایداری لایه مرزی آرام است]5و6[. نشان داده شده که برای جریان بر روی یک صفحه تخت با زاویه برخورد صفر و دارای مکش یکنواخت، عدد رینولدز بحرانی تعریف شده بر اساس ضخامت لایه مرزی جابجایی بیش از 130 مرتبه از عدد رینولدز بحرانی مربوط به صفحه تخت مشابهی که فاقد مکش است بزرگتر می‌باشد]2[. اما این موضوع برای صفحه‌ای بسیار صیقلی و کاملاً متخلخل که مکش یکنواخت بر آن اعمال گردیده، صادق است. در عمل، بسیار مشکل است که یک صفحه متخلخل با سوراخهای ریز و نزدیک به هم با استحکام کافی ساخته شود. بنابراین تمامی صفحات به نوعی دارای سوراخها و یا شیارهای مجزا هستند که منجر به ناپیوسته شدن مکش در آنها می‌گردد. در اینجا منظور از صفحه مشبک صفحه‌ای است که دارای سوراخهای ریز و بسیار نزدیک بهم است. اگرچه استفاده از مکش برای چنین صفحه مشبکی مطالعات را به مکش پیوسته ایده آل بسیار نزدیک می‌کند، اما نشان داده شده است که در بعضی شرایط مکش باعث اعمال اغتشاشهایی از نوع سه بعدی به لایه مرزی می‌شود ]7و8[.
بیشتر کارهای فنینجر و همکارانش اساساً بر روی تکمیل مکش سیال روی دیواره از طریق شیارهای باریک متقاطع ( شیارهای متقاطع شیارهایی هستند که راستای حرکت سیال را قطع می‌کنند) متمرکز است. بنظر می‌رسد که سوراخهای از نوع شیار بعضی از مشکلات پایداری را که در مورد سوراخهای مدور مطرح بود حل می‌کنند به طوری که تا عدد رینولدزی برابر با که بر اساس طول ناحیه ورودی تعریف شده است، جریان بصورت آرام باقی می‌ماند ]4[. ویلکینسن[7] و همکاران صفحه‌ای را با سوراخهای بسیار نزدیک بهم طراحی کردند و آنرا مورد آزمایش قرار داده، نشان دادند که این نوع صفحه حتی زمانی که محدوده نرخ مکش بالاتر از نرخهای مکش بکار رفته در مطالعات قبلی باشد اصولاً مشابه یک سطح متخلخل یکدست رفتار می‌کند. ضریب مکش F (نسبت مؤلفه قائم سرعت مکش به سرعت سیال آزاد بر روی صفحه ) برای این آزمایشات در محدوده F<0 ≥0.005- بوده است. در تمامی آزمایشات انجام شده سیال آزاد دارای سرعتی ثابت بود.
2-2- سرمایش