بررسي اثر چرخش قطره بر نرخ انتقال حرارت آن در تعامل با يك جفت ورتكس

Analyzing the Effect of Particle Rotation on its Heat Transfer Rate while Interacting with a pair of Vortices

اثرات متقابل بين ساختارهاي گردابه اي و ذرات يا قطرات كروي از موضوعات كاربردي در جريان هاي دو فازي مي باشد. اين تعامل ها به ويژه در زماني كه همراه با چرخش قطره باشند، موجب تغييرات عمده اي در ميدان جريان مي شوند. همچنين مشاهده شده است كه نرخ انتقال حرارت قطره در طي زماني كه هسته ورتكس ها در نزديكي آن قرار دارند، به طور قابل ملاحظه اي تحت تاثير قرار مي گيرد. در اين مقاله، انتقال حرارت گذراي يك قطره كروي چرخشي در تعامل با يك جفت ورتكس در جريان لزج و تراكم ناپذير با استفاده از حل عددي معادلات ناوير- استوكس و انرژي در محدوده 100≥20≤Re و سرعت چرخشي بي بعد 0≤Ω≤1با كد محاسباتي كه به زبان فرترن توسط نويسندگان توسعه يافته، مطالعه شده است. به منظور اطمينان از صحت محاسبات، نتايج با داده هاي عددي گزارش شده در مقالات مقايسه و هماهنگي خوبي بين نتايج مشاهده گرديد. سپس اثر جهت گردش دو ورتكس در تعامل با قطره داراي چرخش بر نرخ انتقال حرارت آن بررسي شد. همچنين توزيع ضريب انتقال حرارت در سطح قطره با چرخش جداگانه حول سه محور متفاوت در دو حالت تعامل و عدم تعامل با ورتكس ها بررسي و نتايج مربوط به تغييرات ضريب انتقال حرارت ارائه شده است. نتايج نشان مي دهند كه چرخش قطره تا مقادير Ω≤0.5، اثرات قابل چشم پوشي بر نرخ انتقال حرارت قطره در دو حالت حضور و عدم حضور ورتكس ها در ميدان جريان دارد؛ اما، با افزايش پيچش قطره، اثرات قابل توجهي در ضريب انتقال حرارت مشاهده شده كه با توجه به جهت گردش ورتكس ها، مقادير متفاوتي بدست آمده است.

The interaction between vortical structures and spherical particles or droplets is of practical issue in two-phase flows. The interactions bring major changes in the flow field particularly when coupled with particle rotation. It is observed that the heat transfer rate is significantly influenced during the time that the vortices’ cores are in the vicinity of the particle. In this paper, transient heat transfer of a rotating spherical particle interacting with a pair of vortices in incompressible and viscous flow is studied using numerical solution of the Navier-Stokes and energy equations in the range of 20≤Re≤100 and nondimensional rotational velocities 0≤Ω≤1; by computational code which has been developed by the authors. In order to ensure the accuracy of the calculation, the results are compared with numerical data reported in the literature and good agreement between results was observed. Then the effect of circulation direction of two vortices interacting with a particle by spin on its heat transfer rate was investigated. Also, distribution of heat transfer coefficient at the particle surface with separate rotation around three different axes in two cases of interacting and non-interacting with vortices is given and the results of heat transfer coefficient are presented. The results show that particle rotation for Ω≤0.5, in both presence and absence of vortices in flow field has negligible effects on the particle heat transfer rate; however, with increasing particle spin significant effects on heat transfer coefficient has been observed that, due to the circulation direction of vortices, different amounts are obtained.