Date of Award

4-2023

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Mechanical Engineering (MSME)

Department

Mechanical and Aerospace Engineering

First Advisor

Emad Elnajjar

Second Advisor

Mohammad O. Hamdan

Third Advisor

Salahaddin Al Omari

Abstract

A vortex tube is a device that separates compressed air into two streams: one with a higher temperature (hot stream) and the other with a lower temperature (cold stream). It is a popular cooling option because it is small, safe, and affordable. The main objective of this thesis is to examine the energy separation performance of RHVT by varying the internal tapering angles of convergent angles (2°, 1.75°, 1.5°, 1.25°, 1°, 0.75°, and 0.5°), straight angles (0°), and divergent angles (0.5°, 1°, 2°, 4°, and 6°), While the cold mass fraction is constant (0.317). Length-to-diameter ratio (Lt/Dt), inlet pressure, and the cold mass fraction were investigated to achieve the highest energy separation of RHVT. This thesis conducts a numerical study on the flow structure in a vortex tube using the shear stress transport k-ω turbulence model with viscous heating. The optimal energy separation occurred at a 1.75° convergent angle, Lt/Dt ratio of 3, the inlet pressure of 600 kPa, and a cold mass fraction of 0.56. The internal flow structure of the vortex tube consists of a forced vortex, transition, and free vortex regions, as shown by the static temperature radial distribution This distribution provides an understanding of the energy separation mechanism of the vortex tube by correlating it with the density gradient along the radial direction. We developed a short tube length-to-diameter ratio of RHVT with higher energy separation rather than the standard RHVT. The simulation results were validated by experimental data obtained from the literature for the same vortex tube parameters.

Arabic Abstract

أنبوب الدوامة هو جهاز يستخدم على نطاق واسع في العديد من التطبيقات الصناعية لأغراض التبريد والتدفئة، نظراً لحجمه الصغير وقدرته على تحمل التكاليف وأمانه. تهدف هذه الدراسة إلى معرفة تأثير العوامل المختلفة على كفاءة فصل الطاقة لأنبوب دوامة. تشمل المعلمات التي تم فحصها في هذه الدراسة زوايا التناقص الداخلي، ونسبة الطول إلى القطر، وضغط المدخل، وكسر الكتلة الباردة. يتم استخدام محاكاة ديناميكيات الموائع الحسابية (CFD) لاستكشاف أنبوب دوامة الحرارة الشعاعية (RHVT) من خلال استخدام نموذج اضطراب نقل إجهاد القص (SST) k- مع التسخين اللزج لتحليل بنية التدفق لأنبوب دوامة. يتم التحقق من صحة النتائج التي تم الحصول عليها من خلال مقارنتها مع البيانات التجريبية الواردة في الأدبيات. يتم تحليل كفاءة فصل الطاقة لأنبوب دوامة عن طريق تغيير زوايا التناقص الداخلي RHVT، بما في ذلك الزوايا المتقاربة، والزوايا المستقيمة، والزوايا، المتباعدة مع الحفاظ على جزء ثابت من الكتلة الباردة. بعد ذلك، بالنسبة للزاوية المثلى، يتم فحص نسبة الطول إلى القطر لتحديد أعلى فصل للطاقة. بعد ذلك، يتم دراسة ضغوط الإدخال تحت جزء ثابت من الكتلة الباردة من أجل دراسة الطول إلى القطر المثلى. أخيراً، بالنسبة للحالة المثلى، يتم إجراء دراسة جزء الكتلة الباردة. اهم نتائج هذه الدراسة هو أن الفصل الأمثل للطاقة يحدث بزاوية تقارب 1.75 درجة، ونسبة طول إلى قطر 3، وضغط مدخل 600 كيلو باسكال، وكسر كتلة باردة 0.56. وان هيكل التدفق الداخلي لأنبوب الدوامة يتكون من دوامة قسرية وانتقال ومناطق دوامة حرة، كما يتضح من التوزيع الشعاعي لدرجة الحرارة الثابتة. على طول الاتجاه الشعاعي للمقطع العرضي للأنبوب.

Download
COinS