منابع و ماخذ پایان نامه شبیه‌سازی، مدل‌سازی، پردازش تصویر

عمود بر صفحه‌ی لیزر تنظیم می‌گردد و شرایط برای فیلمبرداری مهیا می‌شود. دوربینی که در این روش مورد استفاده واقع خواهد شد باید دارای سرعت فیلمبرداری هزاران فریم در ثانیه باشد تا بتواند حرکت ذرات را به روشنی دنبال کند. در این مرحله با داشتن دو تصویر متوالی از ذرات معلق در سیال می‌توان با استفاده از نرم‌افزارهای پردازش تصویر میزان تغییر مکان این ذرات را محاسبه نمود. با فرض اینکه سرعت فیلمبرداری دوربین N فریم بر ثانیه باشد می‌توان به سادگی فاصله‌ی زمانی این دو تصویر که همان 1/N باشد را محاسبه کرد. اکنون با در دست داشتن میزان تغییر مکان و همچنین فاصله‌ی زمانی متناظر با آن سرعت ذرات قابل محاسبه است. این سرعت همان سرعت سیال است که البته هر چقدر چگالی ذرات به چگالی سیال نزدیک‌تر باشد و همچنین قطر ذرات کوچکتر باشد سرعت محاسبه شده به سرعت واقعی سیال نزدیک‌تر خواهد بود. در شکل 3- 29 شماتیکی از روش محاسبه‌ی سرعت سیال با استفاده از تکنیک PIV نشان داده شده است.

شکل 3- 29: شماتیک روش PIV [48]
3-4-2- اجزای به‌کار رفته در آزمایش PIV برای سرسیلندر موتور احتراق داخلی
برای مشاهده‌ی جریان خنک‌کننده در سرسیلندر و اندازه‌گیری سرعت آن ابتدا یک سرسیلندر شفاف ساخته شد که در شکل 3- 30 و شکل 3- 31 مشاهده می‌شود.
پس از ساخت سرسیلندر شفاف مدار خنک‌کاری موتور شبیه سازی گردید تا بدان وسیله جریان خنک‌کننده از داخل موتور و همچنین سرسیلندر میسر گردد. این مدار شامل اجزای اصلی پمپ، مخزن، دبی‌سنج، بدنه‌ی موتور شامل بلوک سیلندر و سرسیلندر، فشار سنج، دما سنج و همچنین یک سری اتصالات مانند لوله‌ها و بست‌ها می‌باشد که بر روی یک چارچوب سوار شده‌اند. نمونه‌ای از تک‌تک اجزای اصلی دستگاه در اشکال زیر نشان داده شده‌اند. شکل 3- 32 مخزن، شکل 3- 33 پمپ، شکل 3- 34 دبی‌سنج، شکل 3- 35 و شکل 3- 36 موتور به همراه سرسیلندر را نشان می‌دهد. همچنین کل دستگاه آماده شده برای ایجاد جریان خنک‌کننده در موتور در شکل 3- 37 نشان داده شده است.

شکل 3- 30: سرسیلندر شفاف ساخته شده از Plexiglass

شکل 3- 31: سرسیلندر شفاف ساخته شده از Plexiglass

شکل 3- 32: مخزن

شکل 3- 33: پمپ

شکل 3- 34: دبی‌سنج

شکل 3- 35: موتور به همراه سرسیلندر شفاف

شکل 3- 36: سرسیلندر شفاف نصب شده بر روی بلوک سیلندر

شکل 3- 37: دستگاه آماده شده برای مشاهده‌ی جریان خنک کننده در سرسیلندر
مدار آزمایشگاهی که برای اندازه‌گیری سرعت به روش PIV ترتیب داده شد در شکل 3- 37 نشان داده شده است.
همان‌گونه که قبلاً عنوان شد یکی از ملزومات روش PIV پودر غیر حل شونده در سیال است. برای این منظور باید از پودرهای خاصی استفاده نمود. یکی از ویژگی‌های این پودر این است که باید دارای قطر بسیار کمی باشد. یک ویژگی دیگر این است که باید چگالی آن نزدیک به چگالی سیالی باشد که قرار است سرعت آن اندازه‌گیری شود. هر چقدر قطر ذرات پودر کمتر باشد و چگالی آن به چگالی سیال نزدیک باشد، قابلیت دنبال کردن سیال توسط ذرات افزایش می‌یابد و میزان دقت روش PIV افزایش می‌یابد. در این آزمایش برای اندازه‌گیری سرعت جریان از یک نوع پودر PVC با قطر متوسط 75 تا 100 میکرون استفاده شده است. برای تابش لیزر از یک تابنده با توان 100 میلی‌وات استفاده شده است. برای فیلمبرداری سریع از دوربین پرسرعت MotionBLITZ استفاده شده که تصویر آن در شکل 3- 38 نشان داده شده است.

شکل 3- 38: دوربین پرسرعت MotionBLITZ
در شکل 3- 39 نحوه‌ی قرارگیری دوربین بر روی دستگاه در حین عکسبرداری نشان داده شده است.

شکل 3- 39: نحوه قرارگیری دوربین پرسرعت بر روی سرسیلندر شفاف
3-4-3- نقاط اندازه‌گیری شده‌ی سرعت در سرسیلندر
برای مشاهده و اندازه‌گیری سرعت دو نقطه در مجرای خنک‌کاری سرسیلندر انتخاب شدند. دلیل اصلی انتخاب این دو نقطه قید دوبعدی بودن جریان، قدرت لیزر و محدودیت‌های جانمایی لیزر و دوربین بود. این دو نقطه بخشی از مجرای خنک‌کاری در سمت سوپاپ دود در سیلندر چهارم (نزدیک‌ترین سیلندر به خروجی خنک‌کننده) انتخاب شدند که در شکل 3- 40 و شکل 3- 41 نشان داده شده‌اند.

شکل 3- 40: ترتیب نامگذاری در سرسیلندر

شکل 3- 41: راهگاه خنک‌کننده در سمت سوپاپ‌های دود
3-4-4- تحلیل و اندازه گیری سرعت با استفاده از روش PIV
در این آزمایش میزان دبی ورودی به موتور، توسط دبی‌سنج 65 لیتربردقیقه اندازه‌گیری گردید که در شکل 3- 42 نشان داده شده است. همچنین میزان افت فشار توسط دو فشار سنجی که در ورودی جریان و خروجی جریان متصل شده است قابل محاسبه است که مقدار آن 8/9 کیلوپاسکال می‌باشد.

شکل 3- 42: دبی‌سنج
در این قسمت دو عکس که از جریان حاوی ذرات در نقاط A و B گرفته شده است به‌ترتیب در شکل 3- 43 و شکل 3- 44 نشان داده می‌شود. در این حالت سرعت دوربین 4000 فریم بر ثانیه است که در نتیجه فاصله‌ی عکس‌ها از یکدیگر 25/0 میلی‌ثانیه خواهد شد. ذرات نورانی که در این اشکال مشاهده می‌گردد همان ذرات PVC هستند که در عکس‌های بعدی تغییر مکان خواهند داد. همان‌گونه که گفته شد این عکس‌های متوالی توسط نرم‌افزارهای پردازش تصویر35 تحلیل می‌شوند و با داشتن فاصله‌ی زمانی این تغییر مکان‌ها سرعت آن‌ها استخراج می‌گردد. ابتدا تحلیل سرعت در نقطه‌ی A نشان داده می‌شود. هر تحلیلی که با استفاده از نرم‌افزارهای موجود به‌دست می‌آید نیازمند دو عکس متوالی گرفته شده در آن نقطه است. یک نمونه تحلیل سرعت برای نقطه‌ی A در شکل 3- 45 و همچنین یک نمونه برای نقطه‌ی B در شکل 3- 46 نشان داده شده‌اند. برای تحلیل در این نقاط از فریم‌های 13 و 14 استفاده شده است.

شکل 3- 43: عکس گرفته شده از مقطع A

شکل 3- 44: عکس گرفته شده از مقطع B

شکل 3- 45: تحلیل سرعت در نقطه‌ی A

شکل 3- 46: تحلیل سرعت در نقطه‌ی B
با توجه به اشکال می‌توان به‌طور میانگین برای نقاط A و B به ترتیب مقادیر m/s 7/0 و m/s 2/1 را در نظر گرفت. مقادیر حاصل با استفاده از روش PIV و تحلیل آن با نرم‌افزار Matlab (Image Processing) در فصل شبیه‌سازی عددی به‌منظور صحه‌گذاری مقادیر بدست آمده از روش عددی بسیار مفید خواهد بود.
در کنار اندازه‌گیری کمی یکی دیگر از کاربردهای اصلی روش PIV مشاهدات کیفی صورت گرفته در مناطق مختلف راهگاه موتور است. با استفاده از این آزمایش به‌خوبی می‌توان گردابه‌های تشکیل شده در مناطق مختلف را مشاهده نمود. یکی از نکات جالبی که به صورت کیفی در این آزمایش مشاهده شد سرعت بسیار پایین و بعضاً حالت سکون36 در راهگاه خنک‌کاری اطراف سوپاپ دود در سرسیلندر شماره 1 بود که به‌خصوص در دبی‌های پایین خنک‌کننده‌ی ورودی به موتور مشاهده می‌گردید. این مناطق در حقیقت همان مناطقی هستند که می‌توانند منجر به ایجاد مشکلاتی از قبیل عدم خنک‌کاری مناسب و محافظت از مواد بکار رفته در این نواحی شوند.

فصل چهارم: شبیه‌سازی عددی

4-1- مقدمه
به دلیل هزینه‌ی زمانی و مالی بالای آزمایشات تجربی شبیه‌سازی عددی پدیده‌های فیزیکی همواره مورد علاقه‌ی طراحان سیستم‌های صنعتی بوده است. موتورهای احتراق داخلی نیز به‌دلیل پیچیدگی‌های بسیار زیاد خود از این موضوع مستثنی نیستند. در این بخش شبیه‌سازی‌های عددی مورد نیاز در این پایان نامه که برای سیستم خنک‌کاری موتور صورت گرفته است ارائه می‌گردد. هدف اصلی این پایان‌نامه اصلاح راهگاه خنک‌کاری موتور EF7 با استفاده از قابلیت‌های پدیده جوشش در انتقال حرارت است. بنابراین در ابتدا به شبیه‌سازی و ارائه یک مدل ریاضی برای شبیه‌سازی عددی جوشش جریانی مادون سرد پرداخته می‌شود. در بخش‌های بعدی نیز جریان خنک‌کننده در راهگاه خنک‌کاری موتور از طریق دو روش یک‌بعدی و سه‌بعدی شبیه‌سازی می‌شود تا از این طریق مشخصه‌های جریان در راهگاه موتور مانند فشار، سرعت و دمای دیواره راهگاه خنک‌کاری تعیین شوند. پس از شبیه‌سازی عددی در هر یک از بخش‌ها مقادیر بدست آمده از شبیه‌سازی‌های عددی با نتایج تجربی موجود مقایسه شده و صحه‌گذاری‌های لازم صورت می‌گیرد.
4-2- شبیه‌سازی عددی جوشش جریانی مادون سرد
برای مدل‌سازی دقیق پدیده‌ی جوشش باید تمامی مکانیزم‌های حاکم در این پدیده را مدل کرد. یک مدل‌سازی دقیق وابسته به پارامترهایی همچون حجم حباب‌های تشکیل شده در سطح، قطر جداسازی حباب و پارامترهای موثر بر آن، فرکانس جدا شدن حباب، فاصله‌ی زمانی تشکیل حباب در یک نقطه و بسیاری عوامل فیزیکی دیگر می‌باشد که به‌راستی باید اذعان نمود که یافتن روابط دقیق حاکم بر همه‌ی این عوامل کار بسیار مشکلی است. بنابراین برای مدل‌سازی انتقال حرارت پدیده‌ی جوشش از یک سری فرض‌های ساده شونده استفاده می‌کنند. یکی از مدل‌هایی که برای شبیه‌سازی جوشش استفاده می‌شود مدل زیر است که اولین بار توسط روزنف مطرح شد:
4- 1

این مدل بعدها توسط محققین مختلف به صور گوناگون مورد استفاده قرار گرفت که از میان آن‌ها روش چن بیش از دیگران مورد قبول واقع گردید و امروزه نیز به‌خصوص در صنایع اتومبیل مورد استفاده قرار می‌گیرد.
4-2-1- روش چن37
به طور کلی دو نوع کلی پدیده‌ی جوشش میتوان در نظر گرفت: جوشش اشباع38 و جوشش مادون سرد39. در جوشش اشباع دمای توده‌ی حجمی سیال به دمای اشباع سیال در آن فشار می‌رسد. در جوشش مادون سرد دمای توده‌ی حجمی سیال کمتر از دمای اشباع سیال در آن فشار است و تنها در نزدیکی دیواره‌ی داغ جوشش رخ می‌دهد. چن [49] پس از مطالعه روابطی که برای انواع جوشش جریان ارائه شده بود رابطه‌ی زیر را برای جوشش جریانی مادون سرد به‌صورت زیر اصلاح کرد.
4- 2

در این روش در حقیقت انتقال حرارت در فرآیند جوشش جریانی مادون سرد ترکیبی از دو فرآیند انتقال حرارت جابجایی اجباری و انتقال حرارت جوشش هسته‌ای استخری در نظر گرفته شده است. زمانی که در حین یک جریان، جوشش اتفاق می‌افتد اثرات انتقال حرارت در مقایسه با جوشش استخری کمی کاهش می‌یابد. دلیل این امر آن است که جابجایی اجباری موجب می‌شود ضخامت لایه‌ی مرزی و تأثیر فوق گرم شدن در اطراف حباب از بین برود و رشد حباب به‌وسیله‌ی جابجایی اجباری سرکوب می‌شود. از این رو چن یک ضریب اصلاحی با نماد S را در رابطه‌ی شار حرارتی جوشش استخری وارد کرد تا تأثیر این کاهش انتقال حرارت را به نوعی اعمال کرده باشد. این ضریب با نام ضریب سرکوب کننده40 شناخته می‌شود و مقدار آن بین صفر و یک می‌باشد. مقدار این ضریب از رابطه‌ی زیر به‌دست می‌آید:
4- 3

بعدها باترورث [50] رابطه‌ی دیگری برای ضریب سرکوب کننده ارائه کرد که به صورت زیر می‌باشد:
4- 4

با توجه به توضیحات بالا رابطه‌ی چن اصلاح شده برای جوشش جریانی مادون سرد را می‌توان با رابطه‌ی 4- 5 ارائه نمود.
4- 5

4-2-2- روش BDL41
در این روش انتقال حرارت کلی از دیوار به سیال مانند روش چن مطرح می‌شود و تفاوت آن با روش چن در تعیین ضریب S می‌باشد. این روش سعی دارد تا این ضریب را با استفاده از دینامیک حباب بخار در نزدیکی سطح داغ تعیین کند. این روش که توسط اشتاینر [22] مطرح شد با استفاده از کار زِنگ [51] صورت گرفت.
در این روش ضریب سرکوب کننده، S حاصلضرب دو ضریب Sflow و Ssub است. به‌عبارت دیگر در روش BDL داریم:
4- 6
SBDL = Sflow × Ssub
Sflow ضریب سرکوب کننده در اثر جریان و Ssub ضریب سرکوب کننده ناشی از مادون سرد بودن است. نحوه‌ی استخراج هر یک از این ضرایب در ادامه توضیح داده شده است.
4-2-2-1- روش بدست آوردن Sflow
مطابق تئوری زِنگ جدا شدن حباب از سطح داغ شامل سه مرحله می‌باشد که در شکل 4- 1 آمده است.

شکل 4- 1: مراحل جدا شدن حباب از سطح داغ [51]
در مرحله اول حباب به محل تشکیل هسته‌ی حباب چسبیده است و در اثر نیروهای هیدرودینامیکی به اندازه‌ی زوایه‌ی θ متمایل می‌شود. حباب چسبیده به سطح آنقدر رشد می‌کند تا به حجم بحرانی جدایش42 می‌رسد. این حجم را با Vd نشان می‌دهند. در این حجم حباب از روی سطح