پایان نامه رایگان با موضوع نرم افزار، شبیه سازی، متغیر وابسته

کیفیت بالاتری برخوردار شود و خطای محاسبات کمتر شود.
همچنین نمای بالای کلکتور در حالت مش زده شده به شکل ‏316است
شکل ‏317 نمای مش بندی از بالا
در کلکتور با توان ورودی 900 وات از 417010 المان و در کلکتور با توان ورودی 3000 وات از 886042 المان جهت مش بندی استفاده شده است. همچنین استقلال نتایج از شبکه نیز بررسی گردیده است که در فصل پنجم بیان گردیده است.
پس از انجام مش بندی، فرآیند حل در حلگر CFX انجام گردید و نتایج حاصل از آن در
قسمت post processing استخراج شد.
فصل چهارم
4- معادلات حاکم
4-1- مقدمه
مسائل مهندسی، پدیدههای فیزیکی مختلفی هستند که رفتار آنها به صورت ریاضی مدل میگردد. در اغلب موارد، روابط ریاضی حاکم بر یک پدیده فیزیکی مشخص، معادلات` دیفرانسیل با مقادیر مرزی و با شرایط اولیه معین هستند. این معادلات معمولا با به کار بردن قوانین اصلی طبیعت، برای یک سیستم یا یک حجم کنترل، بدست میآیند. این قوانین که معمولا قوانین بقا نامیده میشوند، به صورت معادلاتی نوشته میشوند که بقای جرم، اندازه حرکت و یا انرژی را برای یک حجم یا جرم معین نشان میدهند. در صورتی که این معادلات دیفرانسیل به شکل کامل استفاده شوند، جزئیات رفتار سیستم را تحت شرایط داده شده، بیان میکنند.
پدیده انتقال حرارت جابجایی نیز از قوانینی تبعیت میکند که روابط حاکم بر آن را میتوان براساس معادلات ریاضی تعیین نمود. همانگونه که میدانیم انتقال حرارت جابجايي در قالب دو شکل جابجايي اجباري و جابجايي آزاد يا طبيعي صورت مي‌گيرد. انتقال حرارت جابجايي اجباري انتقال حرارتي است که در آن حرکت سيال توسط يک منبع خارجي مثل يک دمنده يا پمپ تامين گردد. در اين صورت اگر گراديان دما در مجاورت سطح و سيال وجود داشته باشد انتقال حرارت جابجايي اجباري بوجود خواهد آمد. در جابجائي آزاد، حرکت سيال ناشي از نيروهاي شناوري در سيال مي‌باشد که بواسطه حضور گراديان جرم مخصوص در سيال و نيروي حجمي که نسبت مستقيم با جرم مخصوص دارد بوجود مي‌آيد. نيروي حجمي در عمل نيروي جاذبه است. از اين رو در ماشينهايي که توسط سيال مي چرخند ماهيت گريز از مرکزي و در حرکت‌هاي چرخشي اقيانوسي يا اتمسفر ماهيت کوريوليسي دارد. افزايش يا کاهش جرم مخصوص در متداولترين حالت بواسطه حضور گراديان دما صورت مي‌گيرد. به طور کلي جرم مخصوص گازها و مايعات با افزايش دما کاهش مي‌يابد. از دیگر روشهای انتقال گرما انتقال گرمای هدایتی است. هدایت، انتقال انرژی از ذرات پر انرژی یک ماده به ذرات کم انرژی مجاور و حاصل از برهمکنش بین ذرات است. در این روش انتقال، واسطهی انتقال گرما ساکن است. در مایعات و گازها هدایت بر اثر برخورد و انتشار مولکولها در حین حرکت تصادفی صورت میگیرد. در جامدات هدایت در اثر ترکیبی از ارتعاشات مولکولی در شبکه و انتقال انرژی به وسیله الکترونهای آزاد صورت میگیرد]16[.
4-2- شرایط مرزی
با حل معادله گرما در یک جسم میتوان توزیع دما را در آن به دست آورد ولی حل این معادله مستلزم معلوم بودن شرایط فیزیکی موجود در مرزهای آن است و در صورتی که تابعیت زمانی داشته باشد به شرایط موجود در زمان اولیه نیز بستگی دارد.
در اکثر مسایل سه نوع شرط مرزی زیر مطرح میگردد:
1- شرط مرزی نوع اول یا دریکله : هر گاه مقدار متغیر وابسته بر روی مرزها معلوم باشد، شرط مرزی را نوع اول یا دریکله مینامند.
2- شرط مرزی نوع دوم یا نیومن : هر گاه مقدار مشتق متغیر وابسته بر روی مرزها معلوم باشد شرط مرزی را نوع دوم مینامند.
3 – شرط مرزی نوع سوم یا روبین : هر گاه شرط مرزی ترکیبی خطی از دو شرط مرزی نوع اول و نوع دوم باشد آن را نوع سوم مینامند.
در مورد معادله دیفرانسیل انتقال گرما، شرایط مرزی فوق به صورت زیر بیان میشوند.
1- دمای سطح ثابت ( شرط مرزی نوع اول یا دریکله) :
در این حالت دمای سطح در دمای ثابت نگه داشته میشود.
2- شارگرمای ثابت در سطح (شرط مرزی نوع دوم یا نیومن)
الف) شار گرمای مشخص : در این حالت مقدار شار گرمای ثابتی وارد سطح میگردد.
ب) سطح آدیاباتیک (عایق)
3- انتقال حرارت جابجایی روی سطح (شرط مرزی نوع سوم یا روبین) : در این حالت جسم با محیط خود تبادل گرمایی دارد و از موازنه انرژی سطح مشخص میشود که مقدار گرمای هدایتی در جسم با مقدار گرمای جابجایی در سیالی که با آن تماس دارد برابر است.
در هندسه مورد مطالعه در پروهش حاضر، عمده انتقال حرارت به صورت هدایت میباشد. شرایط مرزی نیز شامل انتقال حرارت جابجایی آزاد برای سطوح بیرونی، شرط مرزی دما ثابت برای سطح پایینی پایه خنک کننده آلومینیومی، شرط مرزی شار حرارتی، برای محل برخورد الکترونها در سطح داخلی پوسته داخلی تقویتکننده موج رونده میباشد.
با توجه به هندسه کلکتور و حضور درپوش بر روی آن، برای بدست آوردن مقدار ضریب انتقال حرارت جابجایی، میتوان با تقریب خوبی، آن را دو استوانه تو در تو در نظر گرفت. در صورتی که اختلاف دمای سطح کلکتور و هوای محیط 125 کلوین (با توجه به حل های صورت گرفته در قسمت نتایج) و قطر کلکتور 30 میلیمتر در نظر گرفته شود، عدد رایلی برابر با 308610 خواهد بود لذا عدد ناسلت با توجه به رابطه دو استوانه تو در تو برابر با 11 است ]20[، لذا مقدار ضریب انتقال حرارت جابجایی برابر با w/m2K 5/9 خواهد بود که برای در نظر گرفتن بدترین حالت جهت طراحی، برابر با w/m2K 5 در نظر گرفته شده است.
4-3-معادلات حاکم
معادله حاکم بر مساله، معادلات انتقال حرارت (انرژی) میباشند که با گسسته سازی آنها توسط نرم افزار ANSYS توزیع دما بدست خواهد آمد. معادله انرژی به شکل زیر میباشد.
ρ×cp×DT/Dt=div(k×(div(T))+q”’+β×T×DP/Dt+µΦ (4-1)
در معادلهی فوق ρ چگالی، cp ظرفیت گرمایی ویژه در فشار ثابت،T دما، t زمان، k ضریب هدایت گرمایی، q”’ میزان حرارت بر واحد حجم، β ضریب انبساط حرارتی، P فشار، µ ویسکوسیته و Φ میزان تلفات لزجتی9 میباشد.
همچنین ضریب هدایت حرارتی سرامیکهای بکار رفته در کلکتور به صورت متغیر با دما و به صورت CEL10 وارد نرم افزار CFX شد.
از جمله CEL نویسی های صورت گرفته در نرم افزار که ضریب هدایت آلومینا را به صورت تابع درجه 4 نسبت به دما تعریف میکند، به شکل زیر است.
AL2O3 K0*(1+(AL2O3 B1*(T-273[K]))+(AL2O3 B2*(T-273[K])^2)+(AL2O3 B3*(T-273[K])^3)+(AL2O3 B4*(T-273[K])^4)) (4-2)
در این رابطه، B1 تا B4 و K0 ضرایب ثابت میباشند]17[.
شکل ‏41 تغییرات ضریب هدایت آلومینا با دما
کلکتور به کار رفته در این تقویت کننده دارای سیستم دیپرس 11میباشد، منظور از سیستم دیپرس، اعمال پتانسیل معکوس در کلکتور است که وظیفهی این پتانسیل معکوس، ایجاد نیرویی در خلاف جهت حرکت الکترونها و کاهش سرعت آنها میباشد. از آنجا که الکترونها دارای بار منفی میباشند، لذا حضور سیستم دیپرس، سبب بوجود آمدن جریانی به سمت منبع تغذیه میشوند، پس سیستم دیپرس علاوه بر اینکه انرژی الکترونهای برخوردی به کلکتور را کاهش میدهد، این انرژی را به درون منبع نیز باز میگرداند و سبب افزایش بازده سیستم میشود.
توان ورودی و خروجی به مجموعه لامپ موج رونده در شکل ‏42 نشان داده شده است
شکل ‏42 توان ورودی و خروجی به لامپ
در شکل 4-2، Ph توان گرمکن در الکترونگان، P0 توان پرتو الکترونی خروجی از الکترونگان، Pint توان تلف شده ناشی از برخورد پرتو با ساختار موج آهسته، Pcir توان تلف شدهی مدار، PRF توان تلف شده فرکانس رادیویی، Psol توان تلف شده در سیم پیچ، Pout توان خروجی از طریق کانکتور، Psp توان ورودی به کلکتور، Pheat توان گرمایی در کلکتور و Prec توان بازیافتشدهتوسطسیستمدیپرسمیباشد
بازده کلی سیستم در رابطه 1-4 نشان داده شده است.
1-4
که Pin عبارتست از :
2-4
همچنین با توجه به شکل 4-2، بازده کلکتور برابرست با :
3-4
و در صورتی که بازده الکترونیکی را به صورت رابطه 4-4 تعریف نماییم
4-4
و بازده مدار را نیز طبق رابطه 5-4 تعریف نماییم
5-4
بازده کلی سیستم با توجه به روابط فوق برابر خواهد بود با
6-4
لذا با افزایش بازده کلکتور، بازده سیستم نیز افزایش مییابد]2[.
فصل پنجم
5- نتایج
5-1- مقدمه
در این فصل نتایج شبیهسازی حرارتی تقویتکنندههای موج رونده با توان 900 وات و 3000 وات آورده شده است. ابتدا تقویت کننده با توان 900 وات که ساخت کشور چین میباشد شبیه سازی شده است. حالات مختلف در نظر گرفته شده در شبیه سازی تقویت کننده با توان 900 وات عبارتند از :
الف- بدست آوردن توزیع دما در حالتی که جنس سرامیکهای بکار رفته در تقویت کننده از آلومینیوم نیترید باشد در حالتی که :
1- دمای پایه آلومینیومی خنک کننده برابر با 40 درجه سانتیگراد در نظر گرفته شود.
2- دمای پایه آلومینیومی خنک کننده برابر با 50 درجه سانتیگراد در نظر گرفته شود.
3- دمای پایه آلومینیومی خنک کننده برابر با 70 درجه سانتیگراد در نظر گرفته شود.
4- دمای پایه آلومینیومی خنک کننده برابر با 90 درجه سانتیگراد در نظر گرفته شود.
5- دمای پایه آلومینیومی خنک کننده برابر با 70 درجه سانتیگراد در نظر گرفته شود و توان حرارتی ورودی به صورت میانگین بر روی سطحی که الکترونها به آن برخورد میکنند داده شود.
ب- بدست آوردن توزیع دما در حالتی که جنس سرامیکهای بکار رفته در تقویت کننده از آلومینا شود
1- دمای پایه آلومینیومی خنک کننده برابر با 40 درجه سانتیگراد در نظر گرفته شود.
2- دمای پایه آلومینیومی خنک کننده برابر با 50 درجه سانتیگراد در نظر گرفته شود.
3- دمای پایه آلومینیومی خنک کننده برابر با 70 درجه سانتیگراد در نظر گرفته شود و ضریب هدایت حرارتی عددی ثابت فرض شود.
4- دمای پایه آلومینیومی خنک کننده برابر با 70 درجه سانتیگراد در نظر گرفته شود و توان حرارتی ورودی به صورت میانگین بر روی سطح برخورد الکترونها داده شود.
5- دمای پایه آلومینیومی خنک کننده برابر با 70 درجه سانتیگراد و ضریب هدایت حرارتی متغیر با دما در نظر گرفته شود.
6- دمای پایه آلومینیومی خنک کننده برابر با 90 درجه سانتیگراد در نظر گرفته شود.
پ- بدست آوردن توزیع دما در حالتی که جنس سرامیکهای بکار رفته در تقویت کننده از برلیا.
1- دمای پایه آلومینیومی خنک کننده برابر با 40 درجه سانتیگراد در نظر گرفته شود.
2- دمای پایه آلومینیومی خنک کننده برابر با 50 درجه سانتیگراد در نظر گرفته شود و ضریب هدایت حرارتی عددی ثابت فرض شود.
3-. دمای پایه آلومینیومی خنک کننده برابر با 50 درجه سانتیگراد و ضریب هدایت حرارتی متغیر با دما در نظر گرفته شود.
4- دمای پایه آلومینیومی خنک کننده برابر با 50 درجه سانتیگراد در نظر گرفته شود و سیستم دیپرس تقویت کننده قطع شود.
5- دمای پایه آلومینیومی خنک کننده برابر با 70 درجه سانتیگراد در نظر گرفته شود.
6- دمای پایه آلومینیومی خنک کننده برابر با 70 درجه سانتیگراد در نظر گرفته شود و توان حرارتی ورودی به صورت میانگین بر روی سطح برخوردی توسط الکترونها داده شود.
7- دمای پایه آلومینیومی خنک کننده برابر با 90 درجه سانتیگراد در نظر گرفته شود.
8- حل زمانمند در حالتی که دمای پایه آلومینیومی خنک کننده برابر با 50 درجه سانتیگراد و سیستم دیپرس به طور ناگهانی قطع شود.
همچنین حالات مختلف در نظر گرفته شده در شبیه سازی تقویت کننده با توان 3000 وات عبارتند از :
الف- بدست آوردن توزیع دما در حالتی که جنس سرامیکهای بکار رفته در تقویت کننده

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *