چکیده
بررسی فرآیندهای ترمودینامیکی مشتمل بر تغییر فاز از جمله مسائل پیچیده در زمینه علوم مهندسی و دینامیک سیالات محاسباتی در جریان¬های چند فازی به شمار می¬آیند. بدلیل توانایی بالای سیالات در تبادل مقدار زیادی از انرژی به هنگام تغییر فاز، جوشش، تبخیر و چگالش به عنوان فرآیندهای مهم و پرکاربرد در صنایع مختلف محسوب می¬شوند. از جمله مهمترین کاربردها می¬توان به خنک کاری تجهیزات الکترونیکی، تولید و بازیابی بخار، سامانه¬های تهویه مطبوع و مبدل¬های حرارتی اشاره نمود. فرآیند جوشش رژیم‌های مختلفی دارد که یکی از پرکاربردترین آن‌ها جوشش هسته¬ای استخری است. علی رغم پژوهش¬های متعدد انجام شده تاکنون، پیش¬بینی صحیح فیزیک حاکم بر مسئله جوشش هسته¬ای استخری همواره دارای چالش بوده و ناشناخته¬های زیادی نیز در مورد آن همچنان وجود دارد.
رساله حاضر به موضوع شبیه¬سازی و تحلیل عددی جریان و انتقال حرارت در فرآیند جوشش هسته¬ای استخری اختصاص دارد. کد محاسباتی توسعه یافته مبتنی بر روش ردیابی جبهه است که برای شبیه¬سازی فرآیند جوشش هسته¬ای در شرایط دوبعدی و سه بعدی بکارگرفته می¬شود. در کنار این موضوع و با هدف نوآوری بیشتر، اثرات مربوط به حضور ماده افزودنی به عنوان یک ماده محلول در سیال پایه و موثر بر تغییرات محلی نیروی کشش سطحی به کد عددی توسعه یافته اضافه شد.
فیزیک حاکم بر مسئله به صورت جریان آرام، ناپایا، دوفازی- دو جزئی، همراه با تغییر فاز و همچنین در صورت وجود ماده افزودنی در سیال پایه، همراه معادلات کامل انتقال جرم جزء اضافه شده (ماده افزودنی) بین سیال و سطح مشترک است. در هر گام زمانی شارحرارتی روی دیواره دما ثابت در قالب عدد بی¬بعد ناسلت محلی و متوسط زمانی محاسبه و گزارش می‌شود. مدلسازی و تحلیل سیکل‌های متوالی جوشش استخری دو و سه بعدی با و بدون در نظر گرفتن ماده افزودنی، بررسی پارامترهای بی‌بعد موثر به طور مستقل، بررسی تاثیرات مربوط به چگالی و قطر نقاط هسته‌زایی و به کارگیری روشی جدید به منظور اعمال تغییرات توپولوژیکی سطح مشترک عناوین مهمترین نوآوری‌های مربوط به پژوهش حاضر است.
براین اساس، در بخش نتایج تاثیر پارامترهای اصلی از جمله عدد گراشف در بازه 17 تا 300، عدد پرانتل، در بازه 8/2 تا 6/8 و همین طور عدد ژاکوب در بازه 017/0 تا 050/0 مورد شبیه¬سازی و تحلیل قرار گرفتند. نتایج بدست آمده گویای تاثیرگذاری مستقیم هر کدام از پارامترهای مذکور روی الگوی رشد و جدایش حباب¬ها، شامل اندازه حباب پس از جدایش و همین طور فرکانس جدایش از سطح داغ و سرعت صعود حباب¬ها به سمت بالا است. برخی از نتایج بدست آمده به منظور صحت¬سنجی با نتایج حاصل از پژوهش¬های تجربی و روابط تحلیلی مورد مقایسه قرار گرفتند. نتیجه مقایسات تایید کننده دقت مطلوب کد عددی توسعه یافته و مدلسازی صورت گرفته است.
مطابق با نتایج بدست آمده، افزایش عدد گراشف منجر به کاهش فرکانس حباب¬های جدا شده از سطح گرم و همچنین افزایش قابل توجه مقدار بیشینه عدد ناسلت متوسط سطح در گذر زمان می¬شود. افزایش قطر حباب جداشده در این شرایط منجر به افزایش جابه¬جایی محلی سیال در پیرامون سطح گرمکن و درنتیجه افزایش عدد ناسلت متوسط سطح می¬شود. افزایش مستقل عدد ژاکوب نیز منجر به افزایش فرکانس جدایش حباب¬ها و همزمان کاهش اندازه حباب¬های جداشده از سطح داغ می¬شود. برآیند این دو در جهتی عمل می¬کند که نرخ کلی انتقال حرارت افزایش می¬یابد. این یافته هم در نتایج دو بعدی و هم در نتایج سه بعدی با چندین نقطه هسته زایی حاصل شده است. در شرایط جوشش هسته¬ای سه بعدی و به ازای پارامترهای بی¬بعد مشخص، افزایش قطر حباب چسبیده به سطح گرمکن تا دو برابر مقدار اولیه عدد ناسلت متوسط زمانی را بیش از دو برابر افزایش می¬دهد.
نتایج بدست آمده در بخش مربوط به تاثیر حضور ماده افزودنی بر نرخ انتقال حرارت طی فرآیند جوشش فیلمی استخری، تاییدکننده تاثیر قابل توجه آن بر تغییر الگوی رشد و جدایش حباب‌ها در مقایسه با سیال فاقد ماده افزودنی است. براساس نتایج مربوطه مشخص شد که همواره یک میزان بهینه‌ای برای ترکیب ماده افزودنی و سیال پایه انتخابی وجود دارد که در آن نرخ انتقال حرارت متوسط صورت گرفته در بازه زمانی معین، بیشینه خواهد شد.

کلمات کلیدی: جوشش هسته¬ای استخری، انتقال حرارت، روش حل عددی، ردیابی جبهه، عدد ناسلت