بررسی عددی و تجربی اثر دامنه‌ی ارتعاش ترانسدیوسر آلتراسونیک در انتقال حرارت جابه‌جایی از سطح گرمکن مارپیچ

در این مقاله به بررسی عددی و تجربی اثر امواج آلتراسونیک روی نرخ انتقال حرارت با افزایش دامنه ی موج صوتی پرداخته می شود. مدلسازی عددی امکان بررسی تاثیر امواج آلتراسونیک را روی توزیع جریان سیال و انتقال حرارت مشخص می کند. برای این منظور، مخزن به صورت استوانه ای شبیه سازی می شود و گرمکن مارپیچی در ارتفاع ثابت و در سیال قرار می گیرد. همچنین، ترانسدیوسرهای آلتراسونیک به صورت صفحات دایروی در کف مخزن در نظر گرفته می شوند. جهت شبیه سازی انتقال حرارت جابه جایی، از نرم افزار انسیس فلوئنت استفاده می شود و مدلسازی در دو مرحله شامل قبل و بعد از اعمال آلتراسونیک صورت می گیرد. جهت اعتبارسنجی، نتایج عددی برای یک دامنه ی مشخص با نتایج آزمایشگاهی مقایسه می گردد. برای این منظور، در سامانه ی آزمایشگاهی که از دو استوانه ی هم محور تشکیل شده، گرمکن مارپیچی در ارتفاع مشخص در سیال آب نگهداری و پنج ترانسدیوسر در کف مخزن چسبانده می شود. نتایج آزمایشگاهی و عددی نشان می دهد که ضریب انتقال حرارت جابه جایی با به کارگیری امواج آلتراسونیک افزایش می یابد و اختلاف نتایج تقریبا برابر با 4 درصد است. با افزایش ضریب انتقال حرارت، دمای آزمایشگاهی و عددی سطح گرمکن با به کارگیری امواج آلتراسونیک کاهش می یابد و نتایج با اختلاف حدود 5 درصد به هم نزدیک هستند. مقایسه ی توزیع سرعت و دما که از نتایج عددی حاصل شده، نشان می دهد که با به کارگیری امواج آلتراسونیک، اختلاط جریان سیال بهتر صورت گرفته و هر چه دامنه موج آلتراسونیک بیشتر باشد، افزایش ضریب انتقال حرارت و در نتیجه کاهش دمای سطح گرمکن بیشتر خواهد شد.

numerical and experimental investigation of the effect of ultrasonic transducer vibration amplitude on convection heat transfer from a spiral heater surface

in this article, the numerical and experimental investigation of the effect of ultrasonic waves on the heat transfer rate with an increase of the wave amplitude is discussed. numerical modeling determines the possibility of the investigation of the ultrasonic wave’s effects on fluid flow distribution and heat transfer. for this purpose, a cylindrical tank is considered inside which a spiral heater is placed at a fixed height in the water. in addition, ultrasonic transducers are considered as circular plates under the bottom of the tank. in order to simulate, the ansys fluent software is used and the modeling is accomplished in two stages before and after ultrasonic excitation. to validate the numerical results, they are compared with those of the experiments. for this purpose, an experimental setup is prepared witch consists two coaxial cylinders, a spiral heater kept at a certain height in the water, and five transducers attached to the bottom of the tank. both experimental and numerical results show that the convection heat transfer coefficient increases with the use of ultrasonic waves with a discrepancy of nearly 4% between the results. by increasing the heat transfer coefficient, the heater surface temperature decreases. the discrepancy between the measured and calculated temperature is about 5%. the velocity and temperature distributions obtained from the numerical results show that using ultrasonic waves enhance the fluid flow mixing which in turn increases the convection heat transfer. the higher the amplitude of the ultrasonic wave, the higher the heat transfer coefficient will result.