در سه دهه گذشته توجه بسیاری معطوف انتقال حرارت در حفره های مملو شده از سیالات گشته است. تحقیقات متعددی در گذشته بر روی جریان حفره با درپوش یا مرز متحرک و انتقال حرارت با توجه به ترکیبی از گرادیان های درجه حرارت اِعمال شده و پیکربندی های حفره انجام پذیرفته است. دلیل این امر مواجه شدن با پیکربندی حفره متحرک در بسیاری از برنامه های کاربردی مهندسی و صنعتی می باشد.
همرفت نقش غالبی را در رشد کریستال یا بلور ایفا می کند (به عنوان مثال، [1-4]) که در آن بر ترکیب و درجه حرارت فاز سیال در میان پهنه فاز تاثیر می گذارد که منجر به یک بلور یا کریستال مجزا می گردد چرا که کیفیت کریستال با توجه به آشفتگی ضعیف می باشد.
این مساله بنیان صنعت الکترونیک مدرن برای تولید بلورهای خالص و کامل به منظور ساخت ترانزیستورها، میله های لیزری، دستگاه های مایکروویو، آشکارسازهای مادون قرمز، دستگاه های حافظه، و مدارات مجتمع محسوب می شود. تجزیه و تحلیل جریان حفره با درپوش یا مرز متحرک و انتقال حرارت با توجه به ترکیبی از گرادیان های درجه حرارت تحمیل شده و پیکربندی های حفره حائز اهمیت می باشد زیرا جریان حاصله با این وجود نسبتاً پیچیده می باشد حتی زمانی که جریان صرفاً در مورد همدما بدون هر گونه گرادیان درجه حرارتی، متحرک برشی[1] است.
هنگامی که یک گرادیان درجه حرارت تحمیل می گردد به طوری که اثرات متحرک برشی و شناوری از نظر اندازه قابل مقایسه هستند آنگاه جریان حاصله تحت رژیم همرفت مختلط قرار گرفته و اثر متقابل و امتزاج یا جفت شدن این اثرات باعث می شود تجزیه و تحلیل پیچیده تر گردد. ترکیبی از گرادیان های درجه حرارت و شیب در سیال منجر به جریان دو – پخشی خواهد شد. این امر تاثیر مهمی بر فرآیند انجماد در یک سیستم باینری [5] و اقیانوس شناسی [6] دارد.
هیون و لی [7] راه حل های عددی را برای همرفت دو – پخشی در محفظه مستطیل شکل با همراهی و مخالفت گرادیان های درجه حرارت و غلظت گزارش کرده اند. راه حل های آن ها در مقایسه با نتایج تجربی مطلوب گزارش گردید. اغلب مطالعات انجام شده در زمینه انتقال حرارت همرفت طبیعی در داخل فضاهای محصور با جریان های حرارت یک طرفه موجود در سراسر حفره های مستطیل شکل ارتباط داشته که در آن شناوری با تحمیل یک شار حرارت و یا یک اختلاف درجه حرارت به صورت افقی و یا عمودی از پایین به ترتیب در بررسی همرفت معمولی و یا ناپایداری های حرارتی القاء می شود.
بررسی دقیق این مبحث در مقالات به راحتی در دسترس است، مانند مطالعاتی که توسط گانزولاری و میلانز [8] و بساک و همکاران [9] انجام پذیرفته است. همرفت طبیعی در حفره دو بعدی با دیواره های حفره عمودی در سطوح مختلف ثابت و یکنواختی از درجه حرارت و دو دیوار عایق گرما یا آدیاباتیک[2] نگه داشته شده و توسط لو و همکاران [10] و کوستا [11] مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت.
آیدین و همکاران [12] به بررسی اثر عدد ریلی (Rayleigh) و نسبت منظر[3] در محفظه دو بعدی پرداختند که از نظر ایزوترمی یا ایزوترمال از سمت چپ گرم شده و از سمت سقف سرد شده بودند در حالی که طرف دیگر دیوار و کف کاملاً عایق بودند.
هم چنین ایواتسو و هیون [13] نیز شبیه سازی عددی سه بعدی جریان سیال و انتقال حرارت را در یک حفره با درپوش یا مرز متحرک انجام داده و نتایج را به ازای مقادیر مختلف Ri و Pr برابر با 0.71 مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند. آن ها مشاهده کردند در زمانی که 0 << Ri می باشد، توزیع درجه حرارت پایدار در پی سرکوب حرکت عمودی سیال بوئده و در نتیجه بیشتر حرکت سیال در مجاورت درپوش لغزان یا کشویی فوقانی رخ داده و بخش عمده ای از منطقه حفره تقریباً راکد می باشد.
پسو و پیوا [14] به بررسی تاثیرگذاری عدد پرانتل (Prandtl) و عدد ریلی (Rayleigh) بر متوسط عدد ناسلت (Nusselt) پرداختند. این مطالعه نشان می دهد که متوسط عدد ناسلت همراه با عدد پرانتل (Prandtl) افزایش می یابد، به خصوص تاثیر آن بر عدد ناسلت (Nusselt) در اعداد ریلی (Rayleigh) بالا مشهودتر می باشد.
محمد و ویسکانتا [15] در زمینه شروع ناپایداری در یک حفره با درپوش یا مرز متحرک کم عمقی که از زیر گرم شده اند، گزارشی را منتشر ساختند. آن ها به تجزیه و تحلیل پایداری خطی پرداخته و دریافتند که Pr شرایط را برای شروع رژیم همرفت مختلط تحت تاثیر قرار می دهد. امیری و همکاران [16] اثرات انتقال حرارت همرفتی مختلط بر حفره با درپوش یا مرز متحرک دارای سطح بستر موجی سینوسی را مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند.
معلمی و جانگ [17] از نظر عددی به مطالعه جریان همرفتی مختلط در یک حفره متحرک مربعی و بستر گرم شده پرداخته و تاثیر عدد پرانتل (Prandtl) را بر فرآیند انتقال حرارت و جریان مورد بررسی قرار دادند. آن ها دریافتند که تاثیر شناوری به ازای مقادیر بالاتر عدد پرانتل (Prandtl) برجسته تر می باشد.
منصور و ویسکانتا [18] جریان همرفتی مختلط را در یک حفره عمودی بلند مطالعه نمودند که در آن یکی از جداره های عمودی، که در درجه حرارتی سردتر از دیگری نگه داشته شده بود، رو به بالا و یا رو به پایین حرکت نموده و بدین ترتیب همراه یا مخالف خاصیت شناوری بود. آن ها مشاهده نمودند که وقتی خاصیت برشی به خاصیت شناوری کمک می نماید یک سلول برشی در مجاورت دیواره متحرک توسعه می یابد در حالی که سلول شناوری بقیه حفره را پر نموده بود.
اُزتاپ و داگتکین [19] به اجرا یک تجزیه و تحلیل عددی را برای همرفت مختلط در یک حفره مربع با جداره های گرم شده متفاوت و متحرک پرداختند. پراساد و کوسف [20] مجموعه آزمایشاتی را در یک حفره پر شده با آب و شار حرارت اندازه گیری شده در نقاط مختلف در طول کف حفره داغ به ازای طیف وسیعی از اعداد Re و Gr انجام دادند.
با این حال، در آثار فوق الذکر توجهات معطوف هندسه غیر شیبدار گشته است اگر چه تاثیر شیب ممکن است در بسیاری از برنامه های کاربردی علوم و مهندسی مورد توجه قرار داشته باشد. در واقع، از آنجایی که مولفه های نیروی شناوری با جهت تغییر می نمایند، گذار بین الگوهای مختلف جریان ممکن است رخ دهد، و نرخ های انتقال حرارت ممکن است به شدت تغییر نمایند همان گونه که به عنوان مثال توسط شریف [21] مشاهده گردید.
شریف [21] به تجزیه و تحلیل جریان همرفتی مختلط در حفره با درپوش یا مرز متحرک کم عمق و شیبدار مستطیلی با یک درپوش فوقانی داغ و سرد شده از بستر و با زاویه شیب γ در محدوده بین صفر درجه و 30 درجه و نسبت منظر 10 با عدد ریلی (Rayleigh) در محدوده 105 الی 107 و حفظ عدد رینولد (Reynolds) ثابت شده در 408.21 پرداخت. وی دریافت که عدد ناسلت (Nusselt) موضعی در درپوش متحرک گرم با یک مقدار بالا شروع می شود و با سرعت و به صورت یکنواختی تا یک مقدار کوچکی به سمت راست کاهش می یابد.
چاماکها و ال – ناصر [22] به بررسی جریان همرفتی دو – پخشی یک مخلوط سیال باینری در حفره های شیبدار مربع و مستطیل شکل پرداختند. آن ها طیف زاویه شیب 0 تا 90 درجه را افزایش دادند. مطالعه آن ها بر روی تاثیر نسبت شناوری[4] و چرخش در تکامل میدان جریان، درجه حرارت و میدان املاح حل شونده موجود در حفره متمرکز شده بود. سیانفرینی و کورسیونه [23] محدوده مطالعه را برای زاویه شیب از 0≤γ≤90 به 0≤γ≤360 درجه گسترش دادند.
مشخص گردیده است که به ازای هر زاویه شیب 45>γ، نرخ انتقال گرما به مانند نرخ انتقال حرارت مخصوص زاویه (γ – 90) می باشد. به ازای هر زاویه شیب 225<γ، نرخ انتقال گرما به مانند نرخ انتقال حرارت مخصوص (γ – 450) می باشد. بنهاجی و واسور [24] به مطالعه مدل دارسی (Darcy) با تقریب های بوسینسکیو (Boussinesq) در همرفت دو – پخشی در حفره های کم عمق متخلخل اشباع شده با یک سیال غیر نیوتنی[5] پرداختند که در آن از یک مدل قانون قدرت[6] به منظور توصیف رفتار سیال غیر نیوتنی استفاده می شود.
به تازگی، تیماه و همکاران [25-29] به مطالعه عددی همرفت مختلط در یک حفره با درپوش یا مرز متحرک مستطیلی شکل تحت اثرات خاصیت شناوری ترکیبی انتشار حرارت و جرم با سطح فوقانی متحرک پرداختند، هر دو سطح فوقانی و تحتانی عایق و نفوذناپذیر بوده و غلظت و درجه حرارت های مختلف ثابتی بر راستای دیواره های عمودی محفظه اِعمال گردید، رژیم آرام حالت پایدار در نظر گرفته شده بود.
معادلات انتقال برای داوم، تکانه یا اندازه حرکت، انتقال انرژی و گونه های مختلف حل می گردند. نتایج عددی برای اثر تعداد ریچاردسون (Richardson)، عدد لوئیس (Lewis)، و نسبت شناوری در ایزو کنتورها (iso-contour)، خطوط جریان، درجه حرارت و غلظت گزارش شدند. افزون بر این، نتایج پیش بینی به ازای اعداد ناسلت (Nusselt) و شروود (Sherwood) موضعی و متوسط هر دو در به ازای شرایط پارامتری مختلف ارائه شده و مورد بحث قرار گرفتند.
این مطالعه به ازای 0.1≤Le≤50 و عدد پرانتل (Prandtl) معادل 0.7 = Pr انجام پذیرفت. در طول مطالعه عدد گراشف (Grashof) و نسبت منظر به ترتیب در 104 و 2 ابت نگه داشته شدند و نسبت شناوری -10≤N≤10 بود در حالی که عدد ریچاردسون (Richardson) از 0.01 الی 10 متغیر می باشد تا جریان غالب همرفت اجباری، همرفت مختلط و جریان غالب همرفت طبیعی شبیه سازی گردند.
این مطالعه یک مطالعه پارامتری و بسط مطالعه شریف [21] محسوب می گردد. طیف گسترده ای از نسبت شناوری از -10≤N≤10 مورد مطالعه قرار گرفتند. به علاوه، طیف گسترده ای از عدد لوئیس (Lewis) از 0.1≤Le≤10 نیز مورد مطالعه قرار گرفت. افزون بر این، درپوش فوقانی در جهات رو به بالا و رو به پایین حرکت می نماید و بدین ترتیب نیروی برشی با درپوش یا مرز متحرک ممکن است همراه و یا مخالفت خاصیت شناوری و جریان حاصله باشد. میدان های حرارت و جرم و هم چنین فرآیندهای انتقال حرارت و جرم بسیار متفاوت از حالت پیکربندی افقی آن خواهد بود.
[1] shear driven
[2] adiabatic
[3] aspect ratio
[4] buoyancy ratio
[5] non-Newtonian fluid
[6] power-law