بررسي موردي اثر پارامترهاي فيزيكي لوله تشديد هارتمن-اسپرنجر مخروطي بر جريان داخلي و عملكرد حرارتي دستگاه

Effect of physical parameters on internal flow and thermal performance of a conical HartmannSprenger tube Case study

لوله هارتمن - اسپرنجر دستگاهي است كه در آن جريان جت فرومنبسط وارد لوله‌اي با انتهاي بسته ميشود كه در فاصله مشخصي از نازل قرار گرفته است. در شرايط خاص، توليد حرارت متمركز درون لوله قابل مشاهده است كه منجر به افزايش دماي سريع درون لوله مي‌شود و مي‌تواند در كاربردهاي مهندسي نظير آتش‌زنه‌هاي آكوستيكي مورد استفاده قرار بگيرد. در پژوهش حاضر، عملكرد حرارتي دستگاه براي مجموعه‌اي از شش نمونه مختلف از لوله‌هاي تشديد با پارامترهاي فيزيكي متفاوت مورد تحليل قرار گرفته است. پارامترهاي تغيير يافته عبارتند از جنس لوله، طول لوله، فاصله لوله از نازل و شرايط ديوار انتهاي لوله كه مي‌تواند بصورت كاملاً بسته و يا همراه با يك سوراخ ريز براي استخراج گاز داغ باشد. در تمامي نمونه‌ها، شكل داخلي لوله بصورت مخروطي انتخاب شده است. مدل‌سازي عددي در كنار آزمايشات تجربي بر روي اين نمونه‌ها انجام گرفته و نتايج براي بررسي تأثير پارامترهاي مذكور بر دماي قابل حصول در انتهاي لوله و مكانيزم داخلي جريان مورد تحليل قرار گرفته است. نتايج نشان مي‌دهد كه مهمترين عامل افزايش دما، وجود جريان نوساني همراه با عبور امواج شوك قوي درون لوله است. با تغيير فاصله لوله و نازل، جريان نوساني حذف شده و اثري از افزايش دما مشاهده نمي‌شود. وجود يك سوراخ ريز در انتهاي لوله همچون استفاده از لوله‌هاي كوتا‌ه‌تر، باعث كاهش دماي قابل دستيابي درون لوله مي‌شود. فركانس نوسانات براي لوله‌هاي بلندتر نزديك به فركانس تشديد لوله است. همچنين استفاده از مواد با ضريب انتقال حرارت پايين، سبب افزايش دما درون لوله خواهد شد.

HartmannSprenger tube is a device in which an underexpanded jet enters a closedend tube which is placed in a specific distance from the nozzle. By producing an intensive heat inside the tube in some specific modes of operation, the device could be used for some important engineering applications such as acoustic igniters. In present study, thermal performances of a set of six different case studies with conical tubes and different physical specifications are investigated. The variable parameters are the pipe material, the pipe length, the gap distance and the end wall condition which could be closed or perforated. The experimental tests in conjunction with numerical analysis are performed to evaluate the effect of changes in physical parameters on temperature rise inside the tube. The oscillatory flow with strong shock waves is the major reason of temperature rise inside the tube. As the gap distance changes, no oscillatory flow and no sensible temperature rise could be observed. Existence of a tiny hole on the tube end wall reduces the temperature rise, as the shorter tube does. The frequency of oscillations is near the tube resonance frequency for longer tubes. Tubes which made of materials with lower thermal conductivity could produce higher temperatures.