کنترل جریان سیال برای آرام نگه‌داشتن آن و سرمایش دو کاربرد مهندسی هستند که مستقیماً به تحقیق حاضر مرتبط می‌باشند، بنابراین کارهایی که حول این دو موضوع انجام شده است مرور خواهند شد. ابتدا کارهای انجام شده بر روی کنترل جریان آرام سیال و سپس مطالبی در مورد سرمایش بیان خواهد گردید. سپس کارهایی که برای کلکتورهای خورشیدی مشبک بدون پوشش صورت گرفته مدنظر قرار خواهند گرفت.
2-1- کنترل جریان سیال برای آرام نگاه داشتن آن
نتایج تحقیقات انجام شده بر روی کنترل جریان آرام در طی سالهای 1960-1940 میلادی در کتاب لاچمن ]1[ بخوبی خلاصه شده است. علمی بودن و میزان کارا بودن کاهش نیروی پسای ناشی از لزجت در هواپیماها از طریق کنترل جریان آرام با انجام یک سری تحقیقات گسترده توسط فنینجر و همکارانش که بیش از چهل سال بطول انجامید، مشخص شده است. این موضوع در یادداشتهای فنینجر ]4[خلاصه شده است.
شکل معمول بیشتر تحقیقات در مورد کنترل جریان آرام مساله پایداری لایه مرزی آرام است]5و6[. نشان داده شده که برای جریان بر روی یک صفحه تخت با زاویه برخورد صفر و دارای مکش یکنواخت، عدد رینولدز بحرانی تعریف شده بر اساس ضخامت لایه مرزی جابجایی بیش از 130 مرتبه از عدد رینولدز بحرانی مربوط به صفحه تخت مشابهی که فاقد مکش است بزرگتر می‌باشد]2[. اما این موضوع برای صفحه‌ای بسیار صیقلی و کاملاً متخلخل که مکش یکنواخت بر آن اعمال گردیده، صادق است. در عمل، بسیار مشکل است که یک صفحه متخلخل با سوراخهای ریز و نزدیک به هم با استحکام کافی ساخته شود. بنابراین تمامی صفحات به نوعی دارای سوراخها و یا شیارهای مجزا هستند که منجر به ناپیوسته شدن مکش در آنها می‌گردد. در اینجا منظور از صفحه مشبک صفحه‌ای است که دارای سوراخهای ریز و بسیار نزدیک بهم است. اگرچه استفاده از مکش برای چنین صفحه مشبکی مطالعات را به مکش پیوسته ایده آل بسیار نزدیک می‌کند، اما نشان داده شده است که در بعضی شرایط مکش باعث اعمال اغتشاشهایی از نوع سه بعدی به لایه مرزی می‌شود ]7و8[.
بیشتر کارهای فنینجر و همکارانش اساساً بر روی تکمیل مکش سیال روی دیواره از طریق شیارهای باریک متقاطع ( شیارهای متقاطع شیارهایی هستند که راستای حرکت سیال را قطع می‌کنند) متمرکز است. بنظر می‌رسد که سوراخهای از نوع شیار بعضی از مشکلات پایداری را که در مورد سوراخهای مدور مطرح بود حل می‌کنند به طوری که تا عدد رینولدزی برابر با که بر اساس طول ناحیه ورودی تعریف شده است، جریان بصورت آرام باقی می‌ماند ]4[. ویلکینسن و همکاران صفحه‌ای را با سوراخهای بسیار نزدیک بهم طراحی کردند و آنرا مورد آزمایش قرار داده، نشان دادند که این نوع صفحه حتی زمانی که محدوده نرخ مکش بالاتر از نرخهای مکش بکار رفته در مطالعات قبلی باشد اصولاً مشابه یک سطح متخلخل یکدست رفتار می‌کند. ضریب مکش F (نسبت مؤلفه قائم سرعت مکش به سرعت سیال آزاد بر روی صفحه ) برای این آزمایشات در محدوده F<0 ≥0.005- بوده است. در تمامی آزمایشات انجام شده سیال آزاد دارای سرعتی ثابت بود.
2-2- سرمایش
در طی دهه 60 میلادی، قبل از آنکه تکنیکهای عددی حل معادلات لایه مرزی برای جریانهای غیر متشابه بخوبی گسترش یابد، حلهای متشابه قابل توجهی در زمینه توانائیهای عمومی سیستمهای سرمایش ارائه گردید. مثالهایی از این حلها در کارهای هارتنت واکرت ]10[ یافت می‌شود. شرایط تشابه اینطور حکم می‌کند که ضریب دمش یا مکش با متناسب باشد. برای این نوع حل دمای صفحه ثابت است. نتایج عددی مربوط به لایه‌های مرزی و آرام همراه با دمش یکنواخت، که در آن تشابه اتفاق نمی‌افتد در کارهای لیبی و چن ]11[ قابل مشاهده است. حل معادلات انرژی و انتقال جرم برای حالت مکش لایه مرزی در محدوده‌ای از مقادیر مکش برای یک صفحه تخت توسط هارتنت و اکرت ]10[ بیان شد. نتیجه‌ای که بدست آمد آنکه عمل مکش هم ضریب اصطکاک محلی و هم انتقال حرارت و انتقال جرم محلی از صفحه را افزایش می‌دهد.
در بسیاری از کاربردهای عملی سرمایش، لایه مرزی از نوع مغشوش است. در طی 25 سال تحقیق در دانشگاه استانفرد مقدار قابل توجهی اطلاعات آزمایشگاهی در رابطه با مکش یا دمش هوا به یک جریان هوای مغشوش جمع‌آوری شده است]12[ . این آزمایشات شامل اثرات گرادیان فشار، زبری سطح و انحنای سطح بر روی انتقال حرارت از یک صفحه همدما با وجود مکش یا دمش می‌باشد. این نتیجه حاصل آمد که برای نرخهای مکش 0.004- >F لایه مرزی مغشوش به یک لایه مرزی آرام دارای ضخامت ثابت تبدیل می‌شود. هچنین نشان داده شد که مکش تمایل بر این دارد که عدد استنتن را به طرف یک مقدار ثابت مساوی با –F بکشاند.
2-3- کلکتورهای خورشیدی هواگرمکن مشبّک بدون پوشش (UTC)
همانطوری که قبلاً بحث شد، مکش باعث افزایش انتقال حرارت از صفحه مشبکی که تحت تاثیر باد موازی با آن قرار دارد می‌شود. در حقیت لایه های نزدیک به سطح که از ممنتم کمتر و انرژی حرارتی بیشتر(بر اثر تماس با صفحه گرم)برخوردارند از طریق مکش جدا شده و جای آنها را لایه های جدید پر می کنند واین عمل بطور پیوسته ادامه می یابد.
کوتچر و همکارانش ]13 [با انجام آنالیز تحلیلی در حالت مکش پیوسته، متوجه شدند که در کلکتور هوا گرمکن مشبّک واقعاً نیازی به پوشاندن صفحه جاذب با یک ماده شفاف نیست. آنها نشان دادند که در یک UTC دارای مکش پیوسته و یکنواخت، تقریباً هیچگونه تلفات جابجایی قابل ملاحظه وجود ندارد و تلفات ناشی از تشعشع نیز کم است. چنین صفحه‌ای تحت دمای ثابت کار خواهد کرد و در نتیجه هیچگونه انتقال حرارت از طریق هدایت گرمایی در خود صفحه مشاهده نمی‌شود. این بیان کننده آن است که جنس صفحه هیچ نقشی در انتقال حرارت از یک UTC تحت تاثیر مکش پیوسته ندارد.
تحقیق در مورد چگونگی توسعه و پیشرفت مهندسی کلکتورهای هواگرمن برمی‌گردد به یک مخترع آلمانی بنام وینکی ]14[ که یک جاذب مشبّک بدون پوشش سقفی را بررسی کرد. همچنین هالیک و پیتر ]15[ یک کلکتور هواگرمکن UTC را در محدوده وسیعی از انواع سوراخها جهت استفاده در پیش گرمکن هوای مورد نیاز برای تهویه مورد آزمایش قرار دادند.
گلنشان ]16[یک UTC مشبّک دارای شیارهای مجزّا را مورد مطالعه قرار داد. وی با آنالیز ابعادی معادلات ممنتم و انرژی، تحت اثر شرایط مرزی مناسب در ناحیه Asymptotic، نشان داد که ضریب کارایی چنین کلکتوری به پنج پارامتر بی‌بعد وابسته خواهد بود. این پنج پارامتر عبارتند از: ضریب تخلخل W/L، عدد رینولدز در سوراخ ، نسبت سرعت مکش به سرعت سیال آزاد ، عدد نوسلت مربوط به تشعشع و ضریب هدایت بی‌بعد صفحه (ضریب Admittance)، .
کائو]17[ آنالیز گلنشان را باحل عددی معادلات ناویر- استوکس ادامه داد. او انتقال حرارت قابل توجّهی را در داخل خود سوراخها یادآورشد. بنابراین یک پارامتر بدون بُعد دیگر بنام ضخامت بی‌بُعد صفحه t/L اضافه شد. بهمین علت کائو ضریب کارایی UTC شیاردار را به دو قسمت تقسیم کرد: ضریب کارایی تا دهانهی شیار و ضریب کارایی در داخل شیار که اوّلی مربوط است به انتقال حرارت از روی صفحه و بعدی مربوط به انتقال حرارت در داخل شیار. کائو حل محاسباتی خود را برای یکصد ترکیب مختلف از مقادیر شش پارامتر بدون بعد ذکر شده انجام داد ودو رابطه یکی برای ضریب کارایی UTC شیاردار و دیگری برای عدد نوسلت استخراج نمود. مدل او نشان داد که ضریب هدایت بدون بعد صفحه یعنی ، برای وقتی که تقریباً مستقل از عمل می‌کند تاثیر عمیقی بر روی دارد. اگرچه حل محاسباتی انجام شده توسط کائو محدوده وسیعی از را پوشش داد، اما مدل او صفحات با ضریب هدایت حرارتی خیلی پائین مثل صفحات پلاستیکی را شامل نمی‌شد.
نتایج کائو در مورد عدد نوسلت محلّی دو نکته را در مورد ضریب انتقال حرارت جابجایی آشکار می‌کند: اول اینکه مقدار آن در ناحیه شیارها بسیار بزرگ است، و دوم اینکه بر روی بقیه صفحه مقدار آن تقریباً ثابت است. کوتچر]18و19[ ضریب کارایی یک کلکتور هواگرمکن خورشیدی UTC را که دارای سوراخهای مدورّ جدا از هم بود، مورد مطالعه قرار داد.
او چند UTC را با ضرایب تخلخل مختلف آزمایش کرد و ضرایب کارایی این UTC ها را تحت تاثیر جریان معمولی ( یعنی مکش تنها، بدون باد) هم از نظر عددی و هم از نظر آزمایشگاهی تعیین نمود. همچنین او آزمایشاتی را در حالت جریان موازی بر روی چند UTC انجام داد. تا آنموقع تمامی صفحات مورد آزمایش توسط کوتچرآلومینیمی بودند و در نتیجه UTC رفتاری همدما از خود نشان می داد. اما برای مشاهده توزیع دمای یک UTC ، کوتچر یک صفحه پارچه‌ای را بعنوان صفحه مشبک بکار برده و توزیع دمای آن را بوسیله ترموگرافی IR مورد مطالعه قرار داد. معلوم شد که دمای صفحه مشبک در نزدیکی لبه سوراخها پائین بوده و بسته به وضعیت صفحه نسبت به جریان باد موازی نقاط داغ در فاصله بین سوراخها مشاهده می‌شود.
بنابراین، مدل کوتچر محدود می‌شود به UTC ساخته شده از صفحات با ضریب هدایت بالا، و مدل عددی کائو نیز اگرچه UTC شیاردار را در نظر گرفته است اما برای صفحات با هدایت پائین مناسب نیست. گلنشان]3[ آزمایشات گسترده‌ای را بر روی UTC ‌های شیاردار دارای ضریب تخلخل پائین و تحت تاثیر شار حرارتی یکنواخت و با جریان هوای آرام موازی با صفحه و عمود بر راستای شیارها انجام داد. او این آزمایشات را برای چهار صفحه با جنسهای مختلف شامل آلومینیوم، پلکسی گلس و فولاد زنگ نزن برای نرخهای مکش گوناگون و سرعتهای باد متفاوت انجام داد و نتایج خود را با نتایج حاصل از حل عددی کائو مقایسه نمود اما کائو ضریب کارایی را به دو قسمت تا دهانه شیار و در داخل شیار تقسیم کرده بود که گلنشان بسبب محدودیت‌های آزمایشی قادر به اندازه گیری دما در ورودی و خروجی شیار نبود. لذا ضریب کارآیی کلی که حاصل جمع این دو مقدار است را محاسبه کرده و برای آن رابطه‌ای بر حسب شش پارامتر بی‌بعد ذکر شده بدست آورد. ضمن اینکه کار آزمایشگاهی انجام شده توسط گلنشان صفحات با هدایت پائین را نیز پوشش می‌داد. تفاوت موجود در نتایج بدست آمده از مدل عددی کائو با نتایج بدست آمده از مدل آزمایشگاهی گلنشان بدین ترتیب توجیه شد که کائو بسبب نداشتن مقدار ضریب انتقال حرارت جابجایی در پشت UTC آنجا را آدیاباتیک در نظر گرفته بود. ولی در بیشتر موارد مقدار انتقال حرارت از پشت UTC آنچنان ناچیز بود که با وجود صرف نظر نمودن از آن در روش عددی نتایج حاصله از این روش تفاوت چندانی نسبت به نتایج آزمایشگاهی نداشت. در این بخش دیدیم که راه حل‌هایی که تاکنون برای بیان اثر مکش بر روی انتقال حرارت از یک UTC شیاردار با ضریب تخلخل پائین ارائه شده، یکی استفاده از مدلهای عددی و دیگری استفاده از مدلهای آزمایشگاهی بود که مستلزم کار و فعالیت مداوم و طاقت فرسا و صرف هزینه و امکانات بسیار می‌باشد. مدل کامپیوتری در مقایسه با مدلهای آزمایشگاهی از سرعت بالاتری برخوردار است.
2-4- حرکت سیال همراه با مکش یکنواخت پیوسته
این تحقیقات اولین بار توسط گریفیث و مردیث]2[ برای آرام نگه داشتن جریان سیال و کم کردن نیروی پسا بر روی بالهای هواپیما انجام پذیرفت. آنها نشان دادند که ضخامت لایه مرزی در فاصله‌ای از ابتدای صفحه به مقدار ثابتی رسیده و از آن به بعد تغییر نخواهد کرد. در این حالت با فرض برقراری لایه مرزی، معادلات حرکت سیال به طریقی باور نکردنی ساده شده و حل آنها نشان می‌دهد که ضخامت لایه مرزی و پروفیل سرعت در آن بستگی به میزان مکش خواهد داشت. کوتچر ]13[ این تحقیقات را در مورد کاربرد مکش در کلکتورهای خورشیدی مشبک ادامه داد. او نشان داد که در این حالت طول اولیه برای رسیدن به ناحیه تثیبت شده لایه مرزی مجانب وار بسیار کم می‌باشد و در نتیجه می‌توان جریان ورودی یک صفحه مشبک تحت مکش پیوسته را با تقریب خوبی کاملا تثبیت شده دانست.
2-5- حرکت سیال همراه با مکش یکنواخت ناپیوسته
ایجاد مکش یکنواخت پیوسته به دلیل محدودیت‌های ساخت صفحات مشبک بسیار سخت بوده و لذا اثر مکش ناپیوسته نسبت به مکش پیوسته بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. این تحقیقات شامل تحقیقات گل نشان، کائو، آرولاناندام ،ون دکر، شاه حسینی، ستوده، باقری نژاد، خسرو شاهی، نعمتی و محمودی کوچکسرایی می‌باشد که در ادامه به آنها اشاره شده است.
2-5-1- تحقیقات گل نشان و همکاران
گل نشان ]16[ تحقیقات خود را در مورد صفحات مشبک تحت مکش ناپیوسته که در معرض یک جریان موازی با صفحه قرار دارند به صورت دو بعدی آغاز کرد. او با بی‌بعد کردن معادلات لایه مرزی و انرژی بر روی اینگونه صفحات وابستگی ضریب عملکرد حرارتی آنها را به پنج پارامتر بی‌بعد نشان داد. این پارامترها عبارتند از:
(2-1) سرعت مکش سیال به سرعت جریان