منابع و ماخذ پایان نامه شبیه‌سازی، چند متغیره، عدم قطعیت

بعدی و استفاده از قانون سرمایش فوریه داریم:
3- 2

برای بدست آوردن دمای سطح داریم:
3- 3

با داشتن مقادیر T0 و T1 وحل این معادله دمای سطح، Ts بدست می‌آید. برای بدست آوردن شار حرارتی نیز از رابطه 3- 4 استفاده می‌کنیم.
3- 4

شکل 3- 8: روتامتر

شکل 3- 9: کویل مسی

شکل 3- 10: بخش آزمایش
اگرچه دماهای ثبت شده توسط ترموکوپل‌ها در تمام آزمایش‌ها یک بعدی بودن انتقال حرارت را ثابت می‌کنند اما قطعه مورد آزمایش وبلوک مسی با استفاده از نرم افزار ANSYS FLUENT 14.5 تحلیل گردید و یک بعدی بودن انتقال حرارت در آن نیز ثابت شد.
3-2-10- بلوک مسی
قطعه مورد آزمایش روی یک بلوک استوانه‌ای مسی به قطر cm 4 مانند شکل 3- 11 نصب می‌گردد.
3-2-11- گرمکن استوانه‌ای
برای گرم کردن قطعه آلومینیومی از طریق بلوک مسی یک گرمکن استوانه‌ای با توان 1000 وات مانند شکل 3- 12 درون آن تعبیه شده است.
3-2-12- عایق PTFE
در محل اتصال قطعه مورد آزمایش با کانال از عایق PTFE32 مانند شکل 3- 13 استفاده شده است که دارای مقاومت حرارتی بالایی است.

شکل 3- 11: بلوک مسی

شکل 3- 12: گرمکن مسی

شکل 3- 13: عایق PTFE
3-2-13- روغن انتقال حرارت
جهت کاهش اتلاف حرارت در محل اتصال قطعه مورد آزمایش و بلوک مسی از یک روغن بر پایه ذرات نانو مس با ضریب هدایت بالا مانند شکل 3- 14 استفاده شده است. این روغن قابلیت تحمل تا دمای C° 1100 را داشته و ساخت کشور انگلستان است.
3-2-14- رئوستا
برای تغییر دادن شار حرارتی گذرنده از قطعه مورد آزمایش از یک رئوستا مانند شکل 3- 15 استفاده شده که با تغییر ولتاژ آن، توان گرمکن و در نتیجه شار حرارتی گذرنده از آن تغییر می‌کند.

شکل 3- 14: روغن انتقال حرارت

شکل 3- 15: رئوستا
3-2-15- ترموکوپل
برای اندازه‌گیری دما از ترموکوپل‌های نوع k مانند شکل 3- 16 استفاده شد. دقت این ترموکوپل‌ها C° 1/0 است. برای کالیبره کردن ترموکوپل‌ها از مخلوط آب و یخ، آب در حال جوش و روغن درحال جوش استفاده شد. به این ترتیب که دمای نشان داده شده هر ترموکوپل با دماسنج جیوه ای با دقت C° 1/0 اندازه‌گیری شده و درپایان برای تمام ترموکوپل‌ها مانند شکل 3- 17 یک نمودار اندازه‌گیری بر حسب دمای واقعی ترسیم شده است. سپس یک تابع درجه 5 با تقریب مناسب از نقاط بدست آمده گذرانده شده و خروجی این تابع به عنوان دمای نهایی در نظر گرفته شد.
3-2-16- سیتم داده بردار
تمامی ترموکوپل‌ها به کارت داده بردار ADAM 5018P متصل شده‌اند که این کارت ها بر روی سیستم داده بردار ADAM 5000/TCP قرار دارند. تمامی این دستگاه‌ها ساخت شرکت ADVANTECH می‌باشند. در شکل 3- 18 سیستم داده بردار و کارت‌های قرار داده شده روی آن مشاهده می‌شود.
3-2-17- سمباده
برای زبر کردن سطح قطعه مورد آزمایش از سمباده‌های با شماره‌های 600-15 گریت (مدل Emery Tousa) استفاده شده است.

شکل 3- 16: ترموکوپل

شکل 3- 17: نمودار کالیبراسیون ترموکوپل

شکل 3- 18: سیستم داده بردار
3-2-18- زبری سنج
برای اندازه‌گیری زبری سطح قطعه مورد آزمایش از دستگاه زبری سنج مدل TR200 ساخت شرکت تایم33 چین استفاده شده است که تصویر آن در شکل 3- 19 نشان داده شده است. این دستگاه قابلیت اندازه‌گیری زبری تا را دارد. برای محاسبه‌ی زبری میانگین، زبری حداقل در پنج نقطه و روی هر نقطه 2 بار خوانده می‌شده و میانگین این مقادیر به عنوان زبری میانگین سطح (Ra) در نظر گرفته می‌شده است.

شکل 3- 19: دستگاه زبری سنج
3-2-19- رله وکنترلر
برای اینکه دمای سیال مخزن در C° 80 باقی بماند گرمکن درون مخزن به یک رله مانند شکل 3- 20 وصل شده که این رله توسط کد نوشته شده توسط نرم افزار LABVIEW2010 کنترل می‌شود. محیط این نرم‌افزار در شکل 3- 21 نمایش داده شده است. به محض اینکه دمای سیال از C° 80 بالاتر می‌رود جریان گرمکن توسط رله قطع و با پایین آمدن دمای سیال از C° 80 جریان گرمکن وصل می‌شود.

شکل 3- 20: رله

شکل 3- 21: تصویر محیط کنترلر در نرم افزار LABVIEW2010
در انتهای این بخش برای درک بهتر نسبت به دستگاه آزمایش نمای برش خورده بخش آزمایش به همراه کانال توسط نرم افزار CATIAV5 ترسیم شده است که در شکل 3- 22 نشان شده است.

شکل 3- 22: تصویر نمای برش خورده دستگاه آزمایش در نرم افزار CATIAV5
همان‌گونه که قبلاً نیز عنوان شد با استفاده از لوازم و اجزایی که تا کنون مورد بررسی قرار گرفت، دستگاهی به منظور شبیه‌سازی آزمایشگاهی پدیده جوشش جریانی مادون سرد در راهگاه خنک‌کاری موتورهای احتراق داخلی ساخته شد. مهمترین خروجی این دستگاه دمای سطح فلز داغ بر حسب شار گذرنده‌ی حرارتی از آن است که نمودارهای حاصل از آن برای شرایط مختلف در فصل شبیه‌سازی عددی به تفصیل نشان داده خواهد شد.
3-3- نتایج دستگاه جوشش جریانی
3-3-1- نمودارهای تجربی انتقال حرارت جوشش
در این قسمت نتایج بدست آمده از دستگاه آزمایشگاهی جوشش جریانی که به تفصیل مورد بررسی قرار گرفت نشان داده می‌شود. این نتایج به شکل نمودارهایی نشان داده می‌شود که محور افقی آن دمای سطح فلز و محور عمودی آن شار حرارتی گذرنده از بخش آزمایش است. نتایج برای دو سیال آب و مخلوط 50-50 آب و اتیلن گلیکول ارائه می‌گردد. در هر یک از نمودارها شار حرارتی بر حسب دمای سطح در یک سرعت خاص از سیال است به ازای سه زبری مختلف 65/0، 4/4 و 20 میکرومتر نشان داده شده است. آزمایشات در سه سرعت مختلف 5/0، 7/0 و 9/0 متربرثانیه برای هر دو سیال انجام شد.
شکل 3- 23 تا شکل 3- 25 نمودارهای جوشش را برای سیال آب نشان می‌دهد.

شکل 3- 23: نمودار جوشش آب (شار حرارتی بر حسب دمای سطح) در فشار bar4/1 و سرعت m/s5/0

شکل 3- 24: نمودار جوشش آب (شار حرارتی بر حسب دمای سطح) در فشار bar4/1 و سرعت m/s7/0

شکل 3- 25: نمودار جوشش آب (شار حرارتی بر حسب دمای سطح) در فشار bar4/1 و سرعت m/s9/0
در نمودارهای جوشش نقطه‌ای که شیب نمودار افزایش ناگهانی از خود نشان می‌دهد را می‌توان به عنوان شروع نقطه‌ی جوشش تلقی نمود. در نمودارهای مربوط به آب که در اشکال بالا نشان داده شده است این نقطه حوالی دمای °C110 تا °C112 دیده می‌شود. دمای نقطه‌ی جوش آب در فشار bar4/1 حدوداً °C107 است. بنابراین نقطه‌ی شروع جوشش جریانی کمی بیشتر از دمای نقطه‌ی جوش آب در فشار مذکور است. این اختلاف نیز همانگونه که در مراجع متعدد ذکر شده است ناشی از سرعت آب است؛ به این معنی که در حالتی که جریان سرعت دارد نقطه شروع جوشش در دمایی بالاتر از دمای نقطه‌ی جوش سیال در یک فشار مشخص رخ می‌دهد. از این نقطه به عنوان نقطه‌ی شروع جوشش هسته‌ای یاد می‌شود و با ONB34 نشان داده می‌شود. در همه مراجع فاصله دمایی نقطه جوش سیال و ONB حدود 3 تا 6 درجه سانتیگراد ذکر شده است. همانگونه که در اشکال مذکور نشان داده شده است، پس از وقوع جوشش با اندک افزایش دمای سطح داغ شار حرارتی عظیمی جابه‌جا می‌گردد که این امر حاکی از قابلیت بالای جوشش در دفع حرارت و یا بعبارت دیگر افزایش ضریب انتقال حرارت با وقوع پدیده‌ی جوشش است. نکته دیگری که با استفاده از نمودارهای جوشش می‌توان استنباط نمود این است که با افزایش زبری سطح ضریب انتقال حرارت سطح نسبت به سطوح صاف‌تر افزایش می‌یابد که البته این موضوع تنها به ناحیه جوشش اختصاص ندارد و در هر دو ناحیه‌ی جابه‌جایی خالص و جوشش جریان دیده می‌شود.
شکل 3- 26 تا شکل 3- 28 نمودارهای جوشش را برای مخلوط 50-50 آب و اتیلن گلیکول نشان می‌دهد.

شکل 3- 26: نمودار جوشش مخلوط 50-50 آب و اتیلن گلیکول (شار حرارتی بر حسب دمای سطح) در فشار bar4/1 و سرعت m/s5/0

شکل 3- 27: نمودار جوشش مخلوط 50-50 آب و اتیلن گلیکول (شار حرارتی بر حسب دمای سطح) در فشار bar4/1 و سرعت m/s7/0

شکل 3- 28: نمودار جوشش مخلوط 50-50 آب و اتیلن گلیکول (شار حرارتی بر حسب دمای سطح) در فشار bar4/1 و سرعت m/s9/0
نمودارهای جوشش مربوط به مخلوط آب و اتیلن گلیکول نیز مانند آب است؛ با این تفاوت که نقطه‌ی تغییر شیب منحنی یا بعبارت دیگر نقطه شروع جوشش در دمایی کمی بیشتر اتفاق می‌افتد. نقطه‌ی جوش مخلوط 50-50 آب و اتیلن گلیکول در فشار bar4/1 حدوداً °C115 است در حالیکه با توجه به اشکال نشان داده شده شروع جوشش برای سیال مذکور در دمایی اطراف °C120 اتفاق می‌افتد. در این حالت نیز مانند سیال آب خالص اختلاف دمایی حدود °C5 بین دمای جوش سیال و دمای شروع جوشش وجود دارد. این نتایج در مرجع [45] نیز ارائه شده است.
3-3-2- آنالیز خطا
در این بخش میزان عدم قطعیت نتایج آزمایشگاهی دستگاه ساخته شده برای شبیه‌سازی جوشش جریانی موتور محاسبه می‌شود. مطابق تئوری توزیع خطا با سری تیلور، معادله‌ی 3- 5 برای محاسبه عدم قطعیت یک پارامتر چند متغیره با دقت 95% استفاده می‌شود [46].
3- 5

در این معادله U95 خطای کل پارامتر چند متغیره r، Xi متغیر مستقل و Ui خطای آن و J تعداد متغیرهاست. دقت هر پارامتر اندازه‌گیری شده در جدول 3- 1جدول 3- 1 نشان داده شده است.
جدول 3- 1: دقت پارامترهای اندازه‌گیری شده
متغیر
نشانه
دقت
فاصله
Ux

دما
UT

دبی حجمی
UQ

در این مطالعه تحلیل خطا بر روی متغیر وابسته شار حرارتی انجام می‌شود. معادله‌ی 3- 6 وابستگی شار حرارتی به یک سری متغیرهای وابسته را نشان می‌دهد. همچنین معادله‌ی 3- 7 رابطه‌ی ریاضی محاسبه‌ی خطای شار حرارتی را بیان می‌کند.
3- 6

3- 7

بر این اساس با توجه به جدول 3- 1 و مقادیر اندازه‌گیری شده برای ΔT و Δx خطای محاسبه شار حرارتی در نمودارها برابر 7/2% خواهد بود.
3-4- مطالعه آزمایشگاهی حرکت سیال با استفاده از روش PIV
یکی از مسائلی که همواره در تحلیل عددی جریان سیال مطرح می‌گردد، میزان مطابقت نتایج آن با مقادیر واقعی است. همچنین محققانی که در زمینه‌ی جریان سیال و احیاناً انتقال حرارت مربوط به آن فعالیت می‌کنند همواره به دنبال مشاهده‌ی حرکت سیال و نحوه‌ی حرکت آن در مجراها بوده‌اند. یکی از روش‌هایی که برای مشاهده‌ی کیفی حرکت سیال و اندازه‌گیری‌های کمی آن به‌کار می‌رود، روش PIV است. PIV مخفف Particle Image Velocimetry است. اودرا و همکاران [47] از این روش برای مشاهده‌ی کیفی جریان در راهگاه موتور استفاده کرده‌اند.
در این پایان نامه به منظور درک بهتر جریان سیال در راهگاه موتور یک آزمایش PIV بر روی جریان خنک‌کننده در سرسیلندر یک موتور احتراق داخلی انجام شد. در این آزمایش علاوه بر مشاهده‌ی کیفی جریان، محاسبات و اندازه‌گیری‌های کمی نیز با استفاده از این روش صورت گرفت و از نتایج آن به منظور صحه‌گذازی نتایج شبیه‌سازی عددی استفاده شد. در ادامه به تفصیل به چگونگی انجام این آزمایش اشاره خواهد شد.
3-4-1- آشنایی با روش PIV
تجهیزاتی که در روش PIV مورد نیاز است عبارتند از:
1- مقطع شفاف جریان
2- دوربین پرسرعت
3- پرتو لیزر
4- منشور استوانه‌ای
5- پودر غیر حل شونده در سیال
اساس کار این روش به این صورت است که ذراتی با قطر ناچیز در سیالی که قرار است سرعت آن سنجیده شود مخلوط می‌گردد. این ذرات باید حتی‌المقدور دارای قطر کم باشند و همچنین چگالی آنها نزدیک به چگالی سیال باشد. سپس پرتو لیزر توسط یک منشور استوانه‌ای به صورت یک ورقه‌ی لیزر در می‌آید. ورقه‌ی لیزر در همان صفحه‌ای قرار داده می‌شود که قرار است سرعت اندازه‌گیری شود. در این حالت حرکت ذرات در آن صفحه‌ای که قرار است سرعت آن سنجیده شود به خوبی مشهود است. نکته‌ای که در اینجا باید بر روی آن تأکید شود لزوم شفاف بودن مقطعی است که قرار است سرعت در آن اندازه‌گیری گردد؛ چرا که در صورت عدم شفافیت، پرتوِ ورقه‌ایِ لیزر از آن عبور نکرده و دیدن ذرات پراکنده شده در داخل سیال غیرممکن خواهد بود. پس از مشاهده‌ی حرکت ذرات در صفحه‌ی دلخواه دوربین به‌صورت