بهينه ‏سازي هندسه آشوبگرهاي دندانه‏اي زاويه‏ دار بمنظور بهبود رفتار ترموهيدروليكي جريان به كمك روش تاگوچي

Optimization of angled-rib turbulator geometry to enhance the thermo-hydraulic behavior of the flow using Taguchi method

در اين مقاله با كمك روش تاگوچي رفتار ترموهيدروليكي سيال در يك گرمكن خورشيدي بصورت عددي بررسي شده و هندسه بهينه آشوبگر دندانه‏اي به منظور اكتساب بيشترين ضريب بهبود حرارتي ارايه شده است. يك هندسه عمومي و مبتكرانه براي آشوبگرهاي دندانه‏اي زاويه دار معرفي شده است؛ بطوري كه با تغيير در پارامترهاي هندسي آن مي‏توان به طور همزمان به سه نوع متداول از آشوبگرهاي دندانه‏اي زاويه‏دار، يعني آشوبگرهاي دندانه مثلثي، مستطيلي و ذوزنقه‏اي، دست يافت. از يك آرايه متعامد L16 (44) براي تحليل تاگوچي استفاده شده است. هدف از تحليل تاگوچي، بيشينه كردن ضريب بهبود حرارتي در گرمكن است. فاكتورهاي در نظر گرفته شده براي اين تحليل، پارامترهاي هندسي آشوبگر شامل گام نسبي دندانه‏ها، ارتفاع نسب دندانه، عرض نسبي نوك دندانه و درصد عمود بودن يال بالادست دندانه بر جهت جريان مي‏باشند. تحليل براي جرياني با عدد رينولدز 10000 و آشوبگري با عرض دهانه ثابت انجام گرفته است. با توجه به اثر دوگانه آشوبگرها بر رفتار ترموهيدروليكي سيستم، از مفهوم ضريب بهبود حرارتي كه در بر دارنده همزمان اثر ضريب انتقال حرارت و ضريب اصطكاك است، استفاده شده است. نتايج نشان مي‏دهد، گام دندانه‏ها و ارتفاع دندانه به ترتيب بيشترين اثر را بر روي ضريب بهبود حرارتي دارند. هندسه بهينه تعيين شده يك آشوبگر دندانه مثلثي با گام نسبي 2P/H=، ارتفاع دندانه 2/0e/H= و درصد عمود بودن 100% مي‏باشد.

In this paper, thermo-hydraulic behavior of a solar heater is numerically investigated and optimum geometry for the angled-rib turbulator which produces the maximum thermal enhancement factor is determined by Taguchi method. A general innovative geometry is introduced for the rib, by which changes in its geometrical parameters will lead to three convenient types of turbulators, namely triangular, rectangular and trapezoidal ribs, simultaneously. Applying Taguchi method leads to the optimum geometry parameters. A L16 (44) orthogonal Taguchi array is used. The aim of the Taguchi analysis is to maximize the thermal enhancement factor. The factors employed for the analysis are rib relative pitch, height, tip width and percentage of upstream-side perpendicularity. The analysis has been carried out for a flow of Re=10000 and a constant rib width. Due to the twofold effect of turbulators on thermo-hydraulic behavior, thermal enhancement factor concept is employed, which stands for both heat transfer rate and friction factor. Results show that rib pitch and height have the most significant effect on thermal enhancement factor, respectively. The optimum rib geometry is found to be a triangular rib which has P/H=2, e/H=0.2 and 100% perpendicularity.