بررسي عددي تأثير گردابه‌ها بر روي افت فشار و تلفات جريان در داخل كانال با انبساط تدريجي صفحه‌اي

Numerical investigation of vortices effect on the pressure drop and flow loss in a channel with planar gradual expansion

هدف اصلي از انجام مطالعه حاضر، بررسي تأثير و نقش شكل گيري گردابه‌هاي متقارن و نامتقارن و تعداد آنها بر روي افت فشار و تلفات جريان در تبديلات واگراي تدريجي مي‌باشد. براي ايجاد گردابه‌هاي متقارن و نامتقارن، جريان آرام سيال نيوتني در داخل كانال با انبساط تدريجي صفحه‌اي براي نسبت انبساط 1:3 شبيه سازي شده است. گسسته سازي معادلات حاكم با به كارگيري روش عددي حجم محدود در حالت دو بعدي انجام گرفته است. همچنين براي تركيب متغير‌هاي سرعت و فشار از الگوريتم پيزو بر روي شبكه ثابت استفاده گرديده است. براي مطالعه اثرات گردابه‌ها، بررسي و محاسبه ضرايب فشار و تلفات براي محدوده وسيعي از زواياي انبساطي و در اعداد رينولدز مختلف انجام گرفته است. براي ارزيابي صحت انجام اين تحقيق، نتايج بدست آمده از زاويه انبساطي 90 درجه با تحقيقات گذشته مقايسه گرديده است؛ كه داراي مطابقت بسيار خوبي با مطالعات گذشته مي-باشد. خطوط جريان و كانتورهاي فشار براي تحليل و درك بهتر ديناميك جريان ترسيم شده است. براي بررسي نقش تقارن و عدم تقارن گردابه‌ها و نيز اثر تعداد گردابه‌ها، نمودارهاي مربوط به تغييرات فشار بر روي خط مركزي كانال، ضرايب فشار و تلفات به صورت تابعي از زاويه انبساطي و عدد رينولدز ترسيم و تحليل گرديده است. نكته قابل توجه اين است كه براي جريان سيال در داخل كانال با انبساط تدريجي صفحه‌اي، ضرايب فشار و تلفات در زاويه انبساطي 53 درجه، مستقل از عدد رينولدز مي‌باشند

The main object of current study is investigation of influence and role of symmetric and asymmetric vortices formation and number of them on the pressure drop and losses of flow in gradual expansions. For creating symmetric and asymmetric vortices, laminar flow of Newtonian fluid is simulated in a channel with a planar gradual expansion for the expansion ratio of 1:3. Discretization of the governing equations is performed with utilization finite volume method (FVM) in two-dimensional. Also, the velocity and pressure are coupled based on the PISO algorithm on a collocated mesh. To study effect of vortices, analyze and calculation of pressure and loss coefficients has been done for a wide range of expansion angles and in different Reynolds numbers . Therefore, to assess the validity of this study, results from the expansion angle of 90° are compared with past researches, which is in very good agreement with previous studies. Streamlines and pressure contours for the analysis and understanding of flow dynamics is depicted. To investigate the role of symmetry and non-symmetric of vortices and the effect of the number of vortices, graphs of pressure changes on the central line of the channel, pressure and loss coefficients have been traced and analyzed as a function of expansion angle and Reynolds number. The remarkable point in this study is that the pressure and loss coefficients in the expansion angle of 53 degrees are independent of the Reynolds number for fluid flow through the planar gradual expansion channel.