کتاب انتقال حرارت و جرم به روش جابه جایی

پیشگفتار

بسمه تعالی
پیشگفتار مترجم
کتاب حاضر ترجمه شانزده فصل نخست آخرین چاپ (چاپ چهارم کتاب انتقال حرارت و جرم به روش جابه جایی است که توسط پروفسور دبليو ام. کیز و پروفسور کرافورد و همچنین پروفسور برنارد ویگند تالیف شده است.
مولفین مطالب کتاب را به شیوه ای تنظیم نموده اند که بیشتر برای دانشجویان کارشناسی ارشد و دکترای رشته های مهندسی مکانیک، مهندسی هوا فضا، و مهندسی هسته ای قابل استفاده است. روش نگارندگان کتاب و نحوه رویکردشان به مسائل انتقال حرارت و جرم به گونه ایست که به آن جنبه ای ویژه و بسیار ارزنده بخشیده است. در این کتاب تمرینات و مسائل انتهای هر فصل طوری انتخاب شده که علاوه بر کاربردهای مهندسی، تحلیل های بنیادی را نیز در بر می گیرد و حل بسیاری از آنها نیازمند استفاده از روش های عددی است. با این که صورت مسئله ها کوتاه است اما حل آنها نسبتا طولانی می باشد و بهتر است به جای مسئله به عنوان پروژه مطرح شوند. پیشنهاد می شود دانشجو به هنگام حل آنها پارامترهای مساله را تغییر داده و به ژورنال هایی که مقالات علمی پژوهشی در زمینه انتقال حرارت منتشر می نمایند، مراجعه نماید و با مقایسه روش های ارائه شده در این کتاب با آن چه در مقاله های روز بحث می گردد در مورد نحوه حل باز اندیشی نموده و خلاقیت و ابداع به خرج دهد و در زمینه نوآوری هایی که می تواند نتیجه گیری کند ارایه دهد. لازم به یادآوری است که برگردان فارسی این کتاب خالی از نقص نیست. در مدتی که از چاپ اول می گذرد تذکرات و پیشنهادات ارزنده همکاران گرامی و دانشجویان عزیز را قدر نهاده و سعی در برطرف شدن آنها شده است و همچنان یادآوری اشکالات آن باعث اصلاح آن در چاپ بعدی می گردد.
اردیبهشت ماه ۱۳۹۷
حسین شکوهمند
دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه تهران

مقدمه

حدود یک دهه از آخرین ویرایش ما گذشته است و تغییر و ثبات در دنیای کارشناسی ارشد در حرارت جابجایی و انتقال جرم را به همراه داشته است. یک تغییر مهم، نویسنده ی همکار جدید ما با نام برنارد ویگاند می باشد، که تحصیل کرده ی دانشگاه دارمشتات در آلمان است و هم اکنون پروفسور و مدیر انجمن ترمودینامیک هوافضا در دانشگاه اشتوتگارت می باشد.
همان طور که همیشه در کلاس درس انجام داده ایم، تعداد معین از مسائلی که موجب ترویج ایده هایی از حل های تحلیلی تقریبی برای جابه جایی می شوند، را تعیین می کنیم. مثلا، مسئله ی طول شروع گرم نشده ی کلاسیک که دارای یک حل انتگرالی می باشد را می توان به سادگی با ترکیب توابع گاما و بتا و تغییر متغیر در انتگرالها، حل نمود. جواب های بدست آمده کاملا فشرده و تا حدودی ادراکی هستند. با شروع دهه ی ۹۰ میلادی، دانشجویان تحصیلات تکمیلی، راه حل هایی را ارائه دادند که کاملا عددی بودند، مثل اینکه تفکر انتگرال گیری تحلیلی هیچگاه به آنها خطور نکرده بود. اگر آنها از هر دو حل عددی وانتگرالی استفاده می کردند، تغییر متغیر انتگرالی در حل تحلیلی نسبت به انتگرال گیری عددی بسیار آسان تر می شد. به نظر می رسد که این موضوع با انحراف تدریجی مهندسان کارشناسی ارشد از ریاضیات سطوح پیشرفته مصادف بوده است. در واقع، حل های عددی می توانند مقرون به صرفه باشند و اغلب تولید و میل آنها به یک چیز ارزشمند آسان است اما گاهی اوقات دارای عواقب ناخواسته هستند.
دانشجویانی که وارد دوره های کارشناسی ارشد جابجایی می شوند تا به حال از طریق همبستگی برای ضریب انتقال حرارت به دنیای حرارت همرفتی و انتقال جرم آشنا شده اند و تمرکز آموزشی آنها بیشتر بر چگونگی انجام انتخابهای عاقلانه برای همبستگی می باشد. این رویکرد هندبوکی" اجازه می دهد تا تخمینی برای حل دسته بزرگی از مسائل مهندسی فراهم آید اما در درک ارتباط بین اصطکاک سطحی، حرارت و انتقال جرم و میدان های جریان متناظر برای اندازه حرکت، انرژی حرارتی و تمرکز جرم به مراتب کم می آورد و جریان مغشوش هم بیشتر آن را پیچیده می کند.
در کلاس درس، همان طور که ما تلاش می کنیم تا جابه جایی آکادمیک را با مسائل انتقال جرم و حرارت "دنیای واقعی" ادغام کنیم، دریافتیم که معمولا باید بر شرایط مرزی حرارتی پیچیده و اثرات تغییر متغیر به دلیل تفاوت های دمایی زیاد یا جریان با سرعت بالا، تمرکز داشت. این مسائل همراه با اثرات سه بعدی، معمولا فراتر از تکنیک های تحلیل هندبوک هستند. بدون توجه به اینکه از چه رویکردی برای حل این مسائل در دنیای واقعی استفاده می کنیم، فرمت حل مشابه است: یک مدل را برای مساله بر پایه ی فرضیات گسترش می دهیم، مسئله ی مدل شده را حل می کنیم و سپس عملکرد مدل با عملکرد دنیای واقعی را مقایسه می کنیم. برای ایجاد یک حل جابه جایی از ابزار مشابه از انواع مختلف مانند تحلیل تحلیلی دقیق و یا تقریبی، تحلیل عددی توسط کدهای کامپیوتری، آزمایشهای فیزیکی و تحلیل داده ای و ایده ی قدرتمند مندرج در تشابه اندازه حرکت -جرم-حرارت استفاده می کنیم.
اگر یک کد کامپیوتری عددی را به عنوان ابزار مناسب برای یک مسئله داده شده انتخاب کنند، مهندسان انتقال حرارت با چالش های متعددی مواجه میشوند. آنها باید چگونگی کارکرد کدها و فرضیات مندرج در کد را درک کنند. تا حدودی آنها باید روند جواب را پیش از جستجو برای یافتن آن بدانند. و به محض انتخاب یک کد عددی برای حل باید زمان و هزینه های مالی انتخاب خود را به یاد داشته باشند. اغلب یک انتخاب ساده از لحاظ زمانی و هزینه ی مالی منجر به جوابی می شود که تقریبا مشابه جوابی است که از حل زمان بر و پرهزینه بدست آمده است (تحلیل ۱۰ دقیقه ای در مقابل تحلیل ۱۰ ساعتی).
تشابه زیادی بین آزمایش های عددی و آزمایش های فیزیکی وجود دارد و مطالعه ی یکی موجب افزایش کارایی اجرای دیگری می شود. با هر دو نوع از آزمایش ها دو موضوع ضروری وجود دارد. ابزار عددی فیزیکی باید کالیبره شود و کاربر ابزار نیز باید کالیبره شود و در هر دو نوع، جواب ها باید برای عقلانی بودن چک شوند و یک تحلیل عدم قطعیت باید به منظور همراهی با دادهی بدست آمده، صورت پذیرد. کالیبره کردن کاربر معمولا با اجرای آزمایش های معیار که به داده هایی منجر می شود که می توان با نتایج معیار آنها را مقایسه کرد، صورت می گیرد. در حالت ایده آل نوع نتایج معیار از روش های تقریبی یا تحلیلی و نیز داده های آزمایشگاهی یا عددی مورد قبول"، بدست خواهد آمد. مثال های جابه جایی ممکن است شامل تولید مجدد دادهی انتقال حرارت توسعه یافته ی کامل یا دادهی بلازیوس فالکنر اسکن و با همتایان آشفته ی آنها باشند. نتیجه ی نهایی آن است که کاربر یاد بگیرد چگونه از ابزار استفاده ی صحیح کند. کالیبراسیون ابزار نیازمند این است که کاربر محدودیتهای ابزار را درک کند و در مورد ابزار عددی، فیزیک درگیر در کد حاوی عدد را بفهمد. این به خصوص یک بررسی مهم است زیرا که برای کدهای تجاری، تجربه نشان میدهد که آن چیزی که تبلیغ میشود تضمینی بر آنچه که در کد اجرا شده است، نمی باشد. نتیجه نهایی آن است که کاربر اعتمادی در مورد چگونگی تطابق محدودیتهای ابزار با فرضیاتی که مدل را مشخص میکنند، بدست آورد.
یکی از استادان بزرگ آزمایش، پروفسور پیتر کی استین می باشد که یک متخصص بلندمرتبه در ابزار دقیق مکانیک است. در طی حرفهی طولانی مدت، او یک رویکرد یکپارچه را برای مهندسان سیستمهای اندازه گیری توسعه داد و معتقد است که می تواند دانش را به منظور دستیابی به داده های معتبر آگاهانه" توسعه دهد. ما فلسفه ی او را برای اعمال بر دنیای انتقال حرارت و جابجایی عددی بسط می دهیم و با ایده های کالیبراسیون ابزار و کاربر( کاربر ابزار) پیش از اجرای ابزار بر مسائل جابه جایی سعی می کنیم تشابه بين آزمایش عددی و آزمایش فیزیکی، همگرا شود.
آنچه که در مورد متن این ویرایش از کتاب جدید است، تاکید بیشتر بر استفاده از ابزار عددی می باشد و ما به طور خاص بر TEXSTAN تمرکز کرده ایم که یک کد آموزشی لایه ی مرزی برای حل مسائل انتقال جرم و حرارت جابه جایی دو بعدی است. کد کامپایل شده (همراه با مجموعه ی گستردهی داده های آزمایش و یک کتابچه ی راهنمای ورودی به طور رایگان در دسترس جامعه ی تحقیقاتی و آکادمیک در سرتاسر جهان می باشد. ما امیدواریم که به کارگیری حلهای عددی در مطالعه ی انتقال جرم و حرارت جابه جایی، موجب افزایش درک شما از ارتباط بين اصطکاک سطحی، حرارت و انتقال جرم و میدانهای جریان مربوطه شود.
همچنین در پاسخ به منتقدین، یک فصل مفصل در مورد انتقال حرارت جابجایی با نیروهای حجمی به این ویرایش اضافه شده است. و این ویرایش یک مجموعه ی کاملا بازنویسی شده از فصول انتقال جرم را ارائه میدهد که شامل مثال های مهندسی بیشتر برای نرخ های انتقال کم و زیاد است. با بازنویسی این فصول، ما امیدواریم که بینش بیشتری در مورد یک موضوع دشوار برای خواننده فراهم شود.
توجه داشته باشید که دو فصل در مورد مبدل های حرارتی از این ویرایش حذف شده اند، زیرا موارد گسترده ای در رابطه با با این موضوع در متون کلاسیک منتشر شده توسط پروفسور کیز و لندن قابل یافتن است.
ما می خواهیم از منتقدان زیر به منظور بازخوردهای مربوط به ویرایش چهارم تشکر کنیم: سامانتا آچاریا، دانشگاه ایالتی لوئیزیانا؛ سرینات اکاد، دانشگاه ایالتی لوئیزیانا؛ پی فنگ سو، موسسه ی فناوری فلوریدا، جیمز، آر، ليت، دانشگاه نیومکزیکو؛ رامندرا، پی، روی، دانشگاه ایالتی آریزونا؛ برییان ویک، ویرجینیا تک؛ و دونالد روبلوسکی، دانشگاه بوستون
یکی از ما(ویگاند) از مباحثه های مفید خود با پروفسور جی، ون ولفرسدورف از دانشگاه اشتوتگارت در مورد ویرایش جدید کتاب حاضر، نهایت قدردانی و سپاسگزاری را دارد.
کیز
کرافورد
ویگاند