انتخاب صفحه

فهرست مطالب

فهرست مطالب ث
فهرست جدول­ها ح
فهرست شکل­ها د
فهرست علائم ر

فصل اول- مقدمه و کلیات تحقیق

در چند دهه اخیر به‌منظور صرفه‌جویی در مصرف انرژی و مواد اولیه و با در نظر گرفتن مسائل اقتصادی و زیست‌محیطی تلاش­های زیادی برای ساخت دستگاه­های تبادل حرارت پربازده صورت پذیرفته است. هدف اصلی کاهش اندازه مبدل حرارتی موردنیاز برای یک بار حرارتی معین و افزایش ظرفیت مبدل­های حرارتی موجود می­باشد. تقاضای جهانی برای دستگاه­های تبادل حرارتی کارآمد، قابل‌اطمینان و اقتصادی مخصوصا در صنایع فرآیندی، تولید الکتریسیته، سیستم­های سرمایش و تهویه مطبوع، مبدل­های حرارتی، وسایل نقلیه و… به سرعت رو به افزایش است. اگر اصول مربوط به روش­های افزایش انتقال حرارت و طراحی دستگاه­های انتقال حرارت با سطح زیاد به‌خوبی شناخته شوند، امکان صرفه‌جویی در مصرف انرژی و کاهش آلودگی محیط‌زیست میسر خواهد بود. روش­های متعددی برای افزایش انتقال حرارت وجود دارند که به دو دسته کلی تقسیم می­شوند.

  • روش­های غیرفعال[1] که نیازی به اعمال نیروی خارجی ندارند.
  • روش­های فعال[2] که نیازمند نیرو با توان خارجی می­باشند.

روش­های غیرفعال شامل استفاده از سطوح گسترده، مبدل­های حرارتی فشرده، مجاری با مقطع غیر مدور، افزایش انتقال حرارت گردابه­ای[3]، تغییر خاصیت رئولوژیکی سیال، میکروکانال­ها، پوشش دهی و پرداخت سطح، استفاده از وسایل جابه‌جاشونده داخل مجرای سیال، استفاده از وسایل چرخاننده جریان، ایجاد انقطاع و شکستگی در جریان، لوله­های مارپیچی، مواد افزودنی به مایعات و گازها هستند. روش­های فعال شامل هم زدن مکانیکی، تراشیدن سطح، سطوح چرخنده، نوسان سطح، نوسان سیال، استفاده از میدان الکتریکی، تزریق و مکش می­باشند. در این مطالعه از روش­های غیرفعال شامل میکروکانال­ها، تغییر خاصیت رئولوژیکی سیال و مواد افزودنی به مایعات برای افزایش انتقال حرارت استفاده خواهد شد.

1-1 میکروکانال­ها[4]

میکروکانال­ها در صنایع و دستگاه­های متفاوتی نظیر سرمایش قطعات الکترونی، مبدل­های حرارتی میکروکانال، سرمایش و روانکاری سیستم­های روباتیک، سیستم­های میکروالکترومکانیکی و میکروراکتورها کاربرد دارند. با کوچک شدن اندازه مجرا، فرض پیوستگی جریان دقت خود را از دست می­دهد ولی برای مقدار معینی از اندازه مجرا این امکان وجود دارد که با اصلاح شرایط مرزی، معادلات ناویر استوکس را به کاربرد. [1].

1-2 تغییر خاصیت رئولوژیکی سیال

یکی از روش­های بسیار مؤثر در افزایش انتقال حرارت تغییر دادن خاصیت رئولوژیکی سیال است. با افزودن موادی خاص به سیالات مختلف می­توان خاصیت رئولوژیکی آن‌ها را از حالت نیوتنی به حالت شبه الاستیک یا ویسکوالاستیک تغییر داد. تغییر خاصیت رئولوژیکی سیال یکی از مهم‌ترین روش­های افزایش انتقال حرارت می­باشد چراکه همزمان با افزایش انتقال حرارت ضریب اصطکاک و درنتیجه افت فشار کاهش می­یابد.

1-3 مواد افزودنی به مایعات

افزودن ذرات جامد به‌صورت معلق در سیال پایه یکی از روش­های انتقال حرارت می­باشد. افزایش ضریب هدایت حرارت ایده اصلی در بهبود مشخصه­های انتقال حرارت سیالات است. ازآنجاکه ضریب هدایت حرارتی ذرات جامد معمولا خیلی بالاتر از سیالات می­باشد، انتظار می­رود افزودن این ذرات جامد موجب افزایش ضریب هدایت حرارت سیال پایه شود.

افزایش ضریب هدایتی حرارتی مایعات درنتیجه افزودن ذرات با اندازه میلی‌متر و میکرومتر بیش از 100 سال است که شناخته‌شده می­باشد. [2]. اما استفاده از این ذرات به دلیل مشکلات عملی نظیر ته‌نشین شدن سریع ذرات، ایجاد سایش شدید، افزایش افت فشار و عدم امکان استفاده از آن‌ها در مجاری بسیار ریز، میسر نیست. پیشرفت­های اخیر در فناوری مواد تولید ذرات با اندازه نانومتر (نانومواد) را که ­توان فائق آمدن بر این مشکلات را دارند فراهم آورده است. با پخش کردن این نانومواد در سیال نوع جدیدی از سیال به وجود می­آید که نانوسیال[5] نامیده می­شوند.

1-4-1 چکیده

تقاضای رو به رشد برای کوچک‌سازی محصولات در تمام بخش‌های صنعتی، با رقابت جهانی برای اطمینان بیشتر، سرعت بیشتر و محصولات مقرون‌به‌صرفه همراه شده است و منجر به چالش‌های جدیدی برای طراحی و بهره­برداری سیستم‌های مدیریت حرارتی شده است. افزایش سریع در تعداد ترانزیستورها بر روی تراشه، با افزایش قابلیت یا قدرت و درنتیجه شار حرارتی بالاتر، یکی از این چالش بزرگ در صنعت الکترونیک است. تکنولوژی­های مبدل حرارت و مبدل جرم میکروکانال در حال پیدا کردن کاربردهای جدید در صنایع گوناگون به‌عنوان یک راه­حل امیدوار­کننده برای تغییر تکنولوژی­ها است. در این راه ما نسل بعدی سیستم‌های مدیریت حرارتی با کارایی بالا را طراحی و راه‌اندازی می­کنیم. در این فصل با اصول میکروکانال­ها برخورد خواهیم کرد. با معرفی تاریخچه، زمینه‌های فنی، طبقه‌بندی، مزایا و معایب میکروکانال­ها شروع می­کنیم. روش ساخت (تکنولوژی متداول و تکنولوژی مدرن) برای میکروکانال­ها در کنار هم در نظر گرفته می­شود. در نهایت، ارتباط افت فشار و ضریب انتقال حرارت برای جریان تک فاز برای انواع شرایط جریان داخلی ارائه خواهد شد.

1-4-2 تاریخچه میکروکانال­­ها

کارهای زیادی برای انتقال حرارت تک فاز در میکروکانال‌ها توسط تاکرمن[6] و پیز[7] [3] برای خنک‌سازی مدارات یکپارچه در مقیاس بسیار بزرگ (VLSI)[8] انجام شد. در سال­های اول تاکرمن و پیز [3] اولین توضیح را برای بیان مفهوم چاه حرارتی میکروکانال دادند و پیش‌بینی کردند که خنک­کاری جابه‌جایی اجباری تک فاز در میکروکانال‌ها می‌تواند ۱۰۰۰ وات بر مترمربع حرارت را حذف کند. جابه‌جایی اجباری در کانال و تزریق مایع برای خنک کاری سریع‌تر و در مقیاس بزرگ‌تر در صنعت برای چند دهه استفاده شد. انتقال حرارت میکروکانال، در مقایسه با هوای معمولی و مایع سیستم­های سرد دارای ضریب انتقال حرارت بالا، همراه با پتانسیل بالا برای ضریب انتقال حرارت و افت فشار متوسط می­باشد. انتقال حرارت میکروکانال، به پدیده‌ای محبوب و جالب برای پژوهشگران تبدیل شده است. به‌عنوان مثال، برای خنک کاری چاه حرارتی میکروکانال باقدرت بالا با آرایش دیود لیزری حذف شار حرارت ۵۰۰ وات بر مترمربع اثبات شده است. در چند دهه گذشته، مطالعات انجام‌شده روی جریان دو فازی و ویژگی‌های انتقال حرارت در جریان میکروکانال، به توسعه سریع میکرو­دستگاه‌های مورد استفاده برای کاربردهای مهندسی مختلف مانند دستگاه‌های پزشکی، مبدل‌های حرارتی فشرده با شار حرارت بالا، خنک کاری میکروالکترونیک با چگالی قدرت، ابررایانه‌ها، پلاسما و لیزرهای قوی و … منجر شده است.

1-4-3 معرفی میکروکانال­ها

در اغلب موارد خنک­کاری موردنیاز بیش از ۱۰۰ وات بر مترمربع است که به‌راحتی نمی‌توان با سیستم­های ساده خنک­کاری هوا و یا خنک­کاری آب، خنک کاری را انجام داد. در بسیاری از کاربردها، به دلیل دفع شار حرارت بالا از اجزا، چاه حرارتی موردنیاز باید بزرگ‌تر از اجزای خود باشد. بااین‌وجود، نقاط داغ معمولا ظاهر می‌شود و سطوح غیریکنواخت شار حرارت در سطح چاه حرارتی مشاهده می­شود. محققان چاه حرارتی جدیدی را توسعه دادند که می‌تواند به‌طور مستقیم در پشت منبع حرارت برای حذف شار گرمایی یکنواخت جاسازی شود. از قانون سرمایش نیوتن می‌دانیم که برای یک اختلاف دما ثابت، شار گرما به حاصل hA بستگی دارد که در آن h ضریب انتقال حرارت است و A مساحت سطح انتقال حرارت است. بنابراین، در راستای تحقق نیاز به دفع شار حرارت بالا، حاصل hA افزایش می­یابد و ازآنجاکه ضریب انتقال حرارت h به قطر هیدرولیک مرتبط است، افزایش سطح نیز یک گزینه است. سطح انتقال حرارت را می‌توان با استفاده از میکروکانال‌ها در بدنه (سطح تراشه)، محصول افزایش داد. رفتار جریان آب در داخل کانال توسط قطر هیدرولیکی کانال و سطح مقطع کانال تعیین می­­شود. برای دست‌یابی به انتقال حرارت بالا، قطر هیدرولیکی کوچک‌تر و سطح انتقال حرارت بزرگ‌تر کانال ترجیح داده می‌شود، بنابراین کانال‌های متعدد تنگ با عمق بالا مناسب می‌باشد. قطر هیدرولیکی کوچک و سطح مقطع گسترده‌تر باعث افزایش افت فشار و درنتیجه نیاز قدرت پمپاژ بیشتر است. از سوی دیگر، افزایش سطح مقطع سطح گرم، نرخ انتقال حرارت را افزایش می­دهد. این شرایط را می‌توان با نسل آینده میکروکانال‌ها که دارای قطر هیدرولیکی بزرگ‌تر، سطح مقطع بزرگ‌تر و همچنین ضریب انتقال حرارت بالاتر است، تنظیم کرد.

ضریب هدایت گرمایی بعضی از مواد

ضریب هدایت گرمایی بعضی از مواد

1
1-1 میکروکانال­ها 2
1-2 تغییر خاصیت رئولوژیکی سیال 3
1-3 مواد افزودنی به مایعات 3
1-4 میکروکانال­ها 4
1-4-1 چکیده 4
1-4-2 تاریخچه میکروکانال­­ها 4
1-4-3 معرفی میکروکانال­ها 5
1-4-4 طبقه‌بندی میکروکانال­ها و مینی­کانال­ها 6
1-4-5 مزایا و چالش­های میکروکانال­ها 7
1-4-6 روش‌های ساخت میکروکانال­ها 7
1-4-6-1 فناوری متداول 9
1-4-6-1-1 تغییر شکل میکرو 9
1-4-6-1-2 اره کردن میکرو (برش‌کاری میکرو) 9
1-4-6-2 تکنولوژی مدرن 10
1-4-6-2-1 MEMS (سیستم میکرو الکترومکانیک) 10
1-4-6-2-2 ماشین‌کاری میکرو لیزر 10
1-4-7 جریان تک فاز در میکروکانال­ها 10
1-4-8 روابط افت فشار 11
1-4-9 روابط انتقال حرارت 13
1-4-9-1 جریان مغشوش 13
1-4-10 کاربردهای میکروکانال­ها 13
1-5 سیالات غیر نیوتنی 14
1-5-1 طبقه‌بندی سیالات غیر نیوتنی 14
1-5-1-1 سیالات غیر نیوتنی مستقل از زمان 15
1-5-1-2 مدل قاعده توانی 16
1-5-1-3 مدل کراس 17
1-5-1-4 مدل کارئو 17
1-5-1-5 مدل الیس 18
1-5-1-6 سیالات غیر نیوتنی تابع زمان 18
1-5-1-7 سیالات ویسکوالاستیک 19
1-6 نانوسیالات 20
1-6-1 مفهوم نانوسیالات 20
1-6-2 مزایای نهان نانوسیال 22
1-6-3 تهیه نانوسیال 24
1-6-4 خواص ترموفیزیکی نانوسیالات 25
1-6-4-1 چگالی 26
1-6-4-2 گرمای ویژه 26
1-6-4-3 لزجت 26
1-6-4-4 ضریب هدایت حرارتی 28
1-6-5 فناوری نانو 34
1-6-6 تولید نانوذرات 35
1-6-6-1 فرآیندهای حالت بخار 36
1-6-6-2 فرآیند حالت مایع و حالت جامد 37
1-6-6-3 تولید نانوذرات با استفاده از روش سیال فوق بحرانی 38
1-6-7 نانولوله­ها 39
1-6-8 انتقال حرارت جابه­جایی در نانوسیالات 39
1-6-8-1 جابه­جایی اجباری در نانوسیالات 40
1-6-8-2 مدل‌های ریاضی تعیین ضریب انتقال حرارت جابه­جایی نانوسیالات 41
1-6-8-3 انتقال حرارت جابه­جایی طبیعی 45
1- 7 اغتشاش 45
1-7-1 مقدمه 45
1-7-2 ویژگی­های جریان اغتشاشی سیالات 47
1-7-3 مدل‌های اغتشاشی 48
1-7-3-1 مدل k-e 48
1-7-3-2 استفاده از تابع جریان در مدل k-e برای اعداد رینولدز بالا 49
1-7-3-3 مدل k-e در اعداد رینولدز پایین 50
1-7-3-4 مدل  RNG 50
1-7-3-5 مدل k-w 51
1-7-3-6 مدل تنش رینولدزی (RSM) 52

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

رینولدز بحرانی در میکروکانالهای مدور

رینولدز بحرانی در میکروکانالهای مدور

فصل دوم- مطالعات آزمایشگاهی، عددی و تئوریک

 افزایش ضریب هدایت گرمایی در نانوسیالات نویدبخش استفاده از آن‌ها به‌عنوان سیال عامل انتقال حرارت خواهد شد. به‌منظور استفاده از نانوسیالات در کاربردهای صنعتی و عملی، نیاز به فهم ویژگی‌های انتقال حرارت جابه­جایی در آن‌ها است. به این منظور، محققان زیادی بر روی عملکرد انتقال حرارت جابه­جایی در نانوسیالات تحقیق کرده­اند. تحقیق بر روی انتقال حرارت جابه­جایی با استفاده از نانوسیال­ها به‌طور مشخص از دهه قبل آغاز شد.

جابه‌جایی اجباری در کانال و تزریق مایع برای خنک کاری سریع‌تر و در مقیاس بزرگ‌تر در صنعت برای چند دهه استفاده شد. انتقال حرارت میکروکانال، در مقایسه با هوای معمولی و مایع سیستم­های سرد دارای ضریب انتقال حرارت بالا، همراه با پتانسیل بالا برای ضریب انتقال حرارت و افت فشار متوسط می­باشد. انتقال حرارت میکروکانال، به پدیده‌ای محبوب و جالب برای پژوهشگران تبدیل شده است.

در این بخش مروری بر مطالعات و تحقیقات حائز اهمیت در زمینه انتقال حرارت نانوسیالات در مقیاس میکرو خواهیم داشت.

2-2 مطالعات آزمایشگاهی[1]

در سال‌های اخیر تحقیقات مختلفی به‌صورت آزمایشگاهی در انتقال حرارت جابه­جایی در هر دو رژیم جریان آرام و مغشوش متمرکز شده است.

خصوصیات انتقال حرارت جا­به­جایی نانوسیالات تحت رژیم آرام و مغشوش توسط کیم و همکاران [47] مورد مطالعه قرار گرفت. در این میان به‌منظور بررسی انتقال حرارت جا­به­جایی تک فاز یک مطالعه تجربی درون لوله مستقیم دایره­ای با شار حرارتی ثابت در رژیم آرام و مغشوش انجام شد نانوسیال را، آب به‌عنوان سیال پایه و سوسپانسیون آلومینیوم و کربن نامنظم به‌عنوان نانوذرات تشکیل می­دهد. در نانوسیال آلومینیوم شامل 3% حجمی ذرات معلق، افزایش حرارتی هدایت و ضریب انتقال حرارت جابه­جایی به ترتیب 8% و 20% است. برای نانوسیال کربن نامنظم، هدایت حرارتی مشابه آب بود و ضریب انتقال حرارت جابه­جایی تنها 8% در جریان آرام افزایش یافته است.

پاک و چو[2] [48] بر روی انتقال حرارت جابه­جایی نانوسیالات آب-اکسید آلومینیوم و آب-اکسید تیتانیوم در رژیم جریان مغشوش تحقیق کردند. در این تحقیق شرط مرزی شار حرارتی ثابت برای دیواره­ها در نظر گرفته شد. افزایش انتقال حرارتی به میزان 75% برای نانوسیال آب- اکسید آلومینیوم و با نسبت حجمی 78/2% مشاهده شد و نشان داده شد که افزایش انتقال حرارت به­دست آمده با ذرات اکسید آلومینیوم بیشتر از ذرات اکسید تیتانیوم  است.

لی و ژوان[3] [49] قابلیت انتقال حرارت نانوسیال آب-مس در هر دو رژیم جریان آرام و مغشوش را با استفاده از شرط مرزی شار حرارتی ثابت روی دیواره بررسی نمودند که افزایشی تا 60% مشاهده شد. ملاحظه شد که نسبت افزایش ضریب انتقال حرارت  با افزایش عدد رینولدز افزایش می‌یابد. آن‌ها این افزایش را به پدیده پخش حرارتی نسبت دادند.چن و همکاران[4] [50] از نانولوله­های اکسید تیتانیوم در تحقیقات خود استفاده کردند. قطر نانولوله­ها در حدود 10 نانومتر و طول آن‌ها در حدود 100 نانومتر بود. آب به‌عنوان سیال پایه استفاده شد. جریان آرام در لوله استوانه‌ای تحت شرط مرزی شار حرارتی ثابت روی دیواره در این تحلیل در نظر گرفته شد. ملاحظه شد که ضریب انتقال حرارت جابه­جایی موضعی در جهت محوری کاهش یافت و برای رینولدز 1700 به حدود W/m2K 800 رسید. در این مقدار تغییر زیادی برای نسبت وزنی‌های مختلف ذرات (5/0%، 1% و 5/2%) مشاهده نشد.ون و دینگ[5] [51] روی نانوسیالات آب- اکسید آلومینیوم در رژیم جریان آرام و تحت شرط مرزی شار ثابت دیواره‌ها تحقیق کردند. تحلیل یکسانی را با تغییر نسبت حجمی ذرات بین 6/0% و 6/1% ترتیب دادند. نانوسیالات بکار رفته در این تحقیق ذراتی با اندازه بین 27 نانومتر و 56 نانومتر داشتند. آن‌ها به افزایش انتقال حرارت به ازای افزایش نسبت حجمی ذرات و عدد رینولدز دست یافتند و ملاحظه کردند که نسبت افزایش ضریب انتقال حرارت موضعی در ورودی لوله بیشتر است. همچنین مشاهده شد که نانوسیالات نسبت به سیالات خالص به‌کندی به حالت توسعه‌یافتگی گرمایی می­رسند.هوانگ و همکاران[6] [52] بر روی نانوسیالاتی با استفاده از نانوذرات اکسید آلومینیوم و با اندازه 30 نانومتر و نسبت‌های حجمی پایین‌تر بین 01/0% تا 3/0% با شرایط مشابه سایر تحقیقات، تحقیق کردند و نشان دادند که افزایش انتقال حرارت هنوز هم حتی در نسبت حجمی پائین ذرات 3/0% چشمگیر است (8%). برخلاف سایر محققین آن‌ها افزایشی در ارتقای انتقال حرارت به ازای افزایش عدد رینولدز مشاهده نکردند.در مطالعه‌ای دیگر  زینالی هریس و همکاران [53] نانوسیالات آب-اکسید آلومینیوم و آب-اکسید مس را مقایسه کردند. آن‌ها مشاهده کردند که نرخ رشد انتقال حرارت به­دست آمده با نانوذرات اکسید آلومینیوم بیشتر از نرخ رشد به­دست آمده با نانوذرات اکسید مس است.دانگتونگساک[7] [54] تحقیقی بر روی افزایش انتقال حرارت و افت فشار در نانوسیال آب- اکسید تیتانیوم در یک مبدل حرارتی دولوله­ای جریان مخالف انجام داد. مشاهده شد که ضریب انتقال حرارت و افت فشار نانوسیال به‌طور مشخص بیشتر از سیال پایه است.

اعتماد و همکاران [55] انتقال حرارت جابه­جایی اجباری برای سه نانوسیال غیرنیوتنی مختلف درون یک لوله مدور و تحت رژیم جریان مغشوش و شرط مرزی شار ثابت را به‌صورت تجربی مورد بررسی قراردادند. نتایج این تحقیق نشان داد که ضرایب انتقال حرارت موضعی و میانگین نانوسیالات بزرگ‌تر از سیال پایه است و نرخ انتقال حرارت نانوسیالات با افزایش غلظت نانوذرات افزایش می‌یابد. در این تحقیق معادله‌ای نیز برای عدد ناسلت نانوسیالات غیرنیوتنی پیشنهاد شد که در آن ناسلت تابعی از اعداد رینولدز و پرانتل بود.

فتوکیان و نصر­اصفهانی [56] به مطالعه تجربی در مورد انتقال حرارت جابه­جایی و افت فشار نانوسیال رقیق آب-اکسید مس در رژیم مغشوش درون لوله دایره­ای پرداختند. اندازه‌گیری‌ها نشان داده که افزودن مقدار کمی از نانوذرات اکسید مس به سیال پایه ضریب انتقال حرارت را به‌طور قابل‌توجهی افزایش می­دهد. به‌طور میانگین 25% افزایش در ضریب انتقال حرارت و 20% افت فشار مشاهده شده است.

همت، ساعدالدین و محمودی [57] مطالعه تجربی روی کارایی انتقال حرارت جابه­جایی و خواص ترموفیزیکی نانوسیال آب-منیزیم اکسید تحت جریان مغشوش انجام دادند. اندازه‌گیری‌ها نشان می­دهد که افت فشار نانوسیال کمی بالاتر از سیال پایه است و با افزایش کسر حجمی نانوذرات افت فشار افزایش نمی­یابد.

بررسی تجربی و عددی انتقال حرارت و تجزیه‌وتحلیل جریان نانوسیال غیر نیوتنی در محیط متخلخل بین دو استوانه هم‌مرکز را حاتمی و گنجی [58] انجام داده‌اند. سیال غیر نیوتنی آلژینات سدیم به‌عنوان سیال پایه و اکسید تیتانیوم به‌عنوان نانوذره در نظر گرفته شده است. لزجت نانوسیال به‌عنوان تابعی از دما توسط مدل رینولدز در نظر گرفته شده است. در این مقاله از روش­های حداقل مربعات و رانگ کوتا مرتبه چهار استفاده شده است.

وفایی و ون[8] [59] در یک کار جدید انتقال حرارت جابجایی نانو سیال آب- آلومینا را در میکرو کانال مورد بررسی قراردادند. آن‌ها مقدار کاهش انتقال حرارت را در ناحیه ورودی مشاهده کردند، اما عمده افزایش انتقال حرارت در ناحیه کاملاً توسعه‌یافته به­دست آمد.

حجت و همکاران [80] به بررسی انتقال حرارت اجباری مغشوش سه نانوسیال اکسید آلومینیوم، اکسید مس و اکسید تیتانیوم در محلول آبی کربوکسی متیل سلولز پرداختند.

سلمان و همکاران [81] در تحقیق خود خلاصه­ای از تحقیقات متعدد را که روی دو موضوع الف) بررسی جریان سیال و انتقال حرارت و انواع میکرولوله و میکروکانال ب) نانوسیال­ها شامل خواص، رفتار و سایر پارامتر­ها، متمرکز بود را بیان نمودند. هدف این مقاله بیان یک دیدگاه روشن و خلاصه‌ای دقیق از تاثیر پارامترهای مختلف از قبیل مشخصات هندسی، شرایط مرزی و نوع سیال است.

حجت و همکاران [83] انتقال حرارت اجباری نانوسیال غیرنیوتنی در لوله مدور با دمای ثابت دیواره در شرایط مغشوش را مورد بررسی قرار داده­اند. نتایج نشان می­دهد که ضریب انتقال حرارت جابه­جایی نانوسیال نسبت به سیال پایه بالاتر است. افزایش ضریب انتقال حرارت جابه­جایی با افزایش عدد پکله و افزایش غلظت نانوذرات افزایش می­یابد.

 2-3 مطالعات تئوریک

ماسیمو و همکاران [60] به بررسی انتقال حرارت نانوسیال­ها داخل لوله تحت جریان مغشوش به‌صورت تحلیلی پرداختند. آن‌ها رفتار نانوسیالات را تک فاز فرض کردند. نتایج اساسی بدست آمده از این مقاله به این شرح است، برای هر ترکیب خاص جامد-مایع غلظت بهینه نانوذره با افزایش دمای توده نانوسیال افزایش، عدد رینولدز سیال پایه افزایش و نسبت طول به قطر لوله کاهش می­یابدهاللفد و همکاران [82] عملکرد حرارتی و افت فشار میکروکانال مستطیلی با استفاده از نانولوله­های کربنی به همراه نانوسیال را بهینه‌سازی کردند.ژوآن و روئتزل[9] [61] دو روش را برای تحلیل انتقال حرارت در نانوسیالات پیشنهاد دادند. در روش اول، فرض می‌شود که وجود نانوذرات درون جریان تنها با تغییر دادن خواص ترموفیزیکی سیال بر انتقال حرارت تأثیر می‌گذارد و بر اساس آن معادلات قوانین بقا برای جریان سیال و انتقال حرارت در یک سیال خالص تنها با جایگزینی خواص ترموفیزیکی نانوسیال، ‌برای تحلیل نانوسیالات نیز می‌توانند به کار روند. این مطلب همچنین به این معناست که روابط کلاسیک انتقال حرارت جابه­جایی برای سیالات خالص می­توانند برای نانوسیالات نیز استفاده شوند. در روش دوم، نانوسیال کماکان به‌عنوان یک سیال تکفازی رفتار می‌کند، اما انتقال حرارت اضافی بدست آمده با نانوسیالات به‌وسیله مدل نمودن پدیده پراکندگی مورد توجه قرار می‌گیرد. آن‌ها نشان دادند که پراکندگی حرارت در نانوسیال به دلیل حرکت تصادفی نانوذرات اتفاق می‌افتد. با در نظر گرفتن این حقیقت که این حرکت تصادفی، تولید اغتشاش در سرعت و دما می‌کند. محققین نشان دادند که ضریب هدایت حرارتی مؤثر که در معادله بقای انرژی قابل استفاده است به صورت زیر است.

53
2-1 مقدمه 54
2-2 مطالعات آزمایشگاهی 54
2-3 مطالعات تئوریک 57
2-4 مطالعات عددی 61
خلاصه‌ای از برخی از روش‌های ساخت میکروکانال¬ها

خلاصه‌ای از برخی از روش‌های ساخت میکروکانال¬ها

فصل سوم- روش تحقیق

تقاضای رو به رشد برای کوچک‌سازی محصولات در تمام بخش‌های صنعتی، افزایش سریع در تعداد ترانزیستورها بر روی تراشه­ها با توان بالا و در نتیجه شار حرارتی بالاتر باعث استفاده از میکروکانال­ها در صنایع شده است. در سوی دیگر، فناوری جدید نانوتکنولوژی این امکان را فراهم آورده تا بتوان ذراتی با اندازه بسیار کوچک نانومتری تولید و فرآوری کرد. مطالعات آزمایشگاهی نشان می‌دهند که افزایش انتقال حرارت جابه­جایی نانوسیالات از مقدار قابل انتظار آن‌که به جهت افزایش در میزان هدایت گرمایی سیال است، تجاوز می‌نماید. در سال‌های اخیر مکانیزه‌ها و مدل‌های متعددی برای توجیه این افزایش بیش از انتظار در انتقال حرارت جابه­جایی نانوسیالات پیشنهاد شده است. در حال حاضر برتری نسبی این مکانیزم­ها نسبت به یکدیگر، هنوز مورد بحث است و برای رسیدن به نتایج دقیق‌تر نیاز به مطالعات بیشتری است. صحت مکانیزم‌ها یا مدل‌های پیشنهادی نیز از طریق حل مسئله‌های انتقال حرارت با استفاده از این مدل‌ها و تحلیل و مقایسه نتایج با نتایج آزمایشگاهی قابل‌بررسی است. بنابراین تحلیل عددی ابزاری مهم در انجام چنین بررسی‌ها و مطالعاتی است. در این فصل ابتدا به تشریح مسئله، دامنه حل و هندسه موردنظر، فرضیات و مدل‌های به‌کاررفته برای جریان نانوسیال داخل میکروکانال پرداخته و سپس روند شبیه‌سازی و حل عددی معادلات بقا ارائه می‌شوند. در فصل بعد نیز نتایج این تحلیل عددی و جمع‌بندی آن‌ها ارائه خواهند شد.

3-2 تشریح مسئله

در این تحقیق رفتار انتقال حرارت جابه­جایی نانوسیالات با استفاده از یک سیال غیرنیوتنی درون میکروکانال، تحت رژیم جریان درهم تحت شرط مرزی شار گرمایی ثابت روی دیواره‌ها، با استفاده از ابزار CFD و روش حجم محدود و بهره‌گیری از نرم‌افزار CFX مورد بررسی قرار می‌گیرد. از محلول آبی کربوکسی متیل سلولز (CMC) با غلظت وزنی 5/0% به‌عنوان سیال غیرنیوتنی پایه استفاده شده است. محلول کربوکسی متیل سلولز در آب سیالی غیرنیوتنی و شبه پلاستیک که در اکثر مقالات محققین در زمینه‌های سیالات غیرنیوتنی و نانوسیالات به‌عنوان سیال پایه مورداستفاده قرارگرفته است. بنابراین در راستای تحقیقات قبلی در این تحقیق نیز از آن استفاده شده است. همچنین نانوذرات اکسید مس در اندازه‌های 30، 60 و 90 نانومتر و با غلظت‌های حجمی 1، 3 و 4 درصد مورد استفاده قرارگرفته‌اند. مدل قاعده توانی برای تخمین رفتار رئولوژیک سیالات غیرنیوتنی لزج به کار گرفته شده است. تأثیر اندازه ذرات، غلظت ذرات و عدد رینولدز بر ضریب انتقال حرارت و عدد ناسلت مطالعه شده است. با توجه به جدول 3-1 [85] و همچنین طبقه­بندی میکروکانال­ها، که توسط کاندلیکار [6] در فصل

64
3-1 مقدمه 65
3-2 تشریح مسئله 65
3-3 تعیین خواص ترموفیزیکی نانوسیال 67
3-4 شبکه‌بندی و تعیین شرایط مرزی 69
تغییرات عدد ناسلت موضعی سیال غیرنیوتنی پایه در سه رینولدز مختلف

تغییرات عدد ناسلت موضعی سیال غیرنیوتنی پایه در سه رینولدز مختلف

فصل چهارم- نتایج

همان‌طور که در بخش­های قبلی اشاره شد در این تحقیق به‌منظور تعیین خواص و ویژگی‌های نانوسیال مثل چگالی، ضریب گرمای ویژه از معادلات (3-4) و (3-5) استفاده می‌کنیم. ضریب هدایت گرمایی نانوسیال را نیز از رابطه چون و همکاران [29] تعیین می‌کنیم. به این منظور از روابط (1-38) تا (1-42) که روند استفاده از رابط چون و همکاران [29]  را نشان می‌دهند استفاده می‌کنیم.در جدول 4-1 مقادیر چگالی، ضریب گرمایی ویژه و ضریب هدایت گرمایی نانوسیال که در این تحقیق با استفاده از سیال غیرنیوتنی محلول آبی 5/0 درصد وزنی کربوکسی متیل سلولز و نانوذرات اکسید مس در اندازه‌های 30، 60 و 90 نانومتری و با غلظت‌های متفاوت 1،3 و 4 درصدی نانوذرات ایجاد شده است، پس از محاسبات لازم درج شده است.

70
4-1 محاسبه خواص ترموفیزیکی نانوسیال 71
4-2 محاسبه ضریب انتقال حرارت جابه­جایی و عدد ناسلت 72
4-3 اعتبار سنجی 75
4-4 محاسبه ضریب انتقال حرارت جابه­جایی  و عدد ناسلت سیال غیرنیوتنی پایه 76
4-5 تأثیر غلظت نانوذرات بر ضریب انتقال حرارت جابه­جایی و عدد ناسلت 78
4-6 تأثیر اندازه نانوذرات بر ضریب انتقال حرارت جابه­جایی 83
4-7 تأثیر عدد رینولدز بر ضریب انتقال حرارت جابه­جایی نانوسیال و عدد ناسلت 86

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

فصل پنجم- نتیجه‌گیری و پیشنهادات

در این تحقیق انتقال حرارت جابه­جایی یک نانوسیال غیرنیوتنی در جریان مغشوش درون یک میکرولوله با استفاده از نرم‌افزار CFX شبیه‌سازی شد. اثر غلظت و اندازه ذرات و عدد رینولدز بر ضریب انتقال حرارت جابه­جایی موضعی و عدد ناسلت بررسی و نتایج زیر به دست آمد.

  • تغییر رفتار رئولوژیک سیال از نیوتنی به غیرنیوتنی، ضریب انتقال حرارت و عدد ناسلت سیال پایه به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد.
  • ضریب انتقال حرارت جابه­جایی و عدد ناسلت نانوسیال غیرنیوتنی در مقایسه با سیال غیرنیوتنی خالص بزرگ‌تر است.
  • افزایش غلظت نانوذرات موجب افزایش ضریب انتقال حرارت جابه­جایی و عدد ناسلت نانوسیال می‌شود.
  • افزایش اندازه ذرات ضریب انتقال حرارت جابه­جایی نانوسیال را کاهش می‌دهد.
  • عدد رینولدز، اثر قابل ملاحظه‌ای بر ضریب انتقال حرارت نانوسیال داشته و افزایش عدد رینولدز این ضریب را افزایش می‌دهد.
  • مقایسه نتایج این تحقیق با معادله فیلیپس نتایج معقولی را در تحلیل انتقال حرارت جابه­جایی نانوسیال به همراه داشته است.

5-2 پیشنهاد‌ات

  • در حال حاضر تفاوت‌های چشمگیری در نتایج آزمایش‌های مربوط به ضریب هدایت گرمایی در نانوسیالات وجود دارد. در نتیجه، این تفاوت‌ها در مطالعات تئوریک نیز مشاهده می‌شود و نتایج حاصل از روابط و مدل‌های مختلف پیشنهادی برای محاسبه ضریب هدایت گرمایی نانوسیالات دارای تفاوت‌های آشکاری با یکدیگر هستند. برای کاربردی شدن نانوسیالات و میکروکانال­ها در تجهیزات و صنایع حرارتی و برودتی، نیاز به تحقیقات تجربی و آزمایشگاهی وسیع‌تر و دقیق­تر است.
  • بسط و توسعه مدل‌های تئوریک جدیدی که بتواند ترکیبی از اثرات پارامترهای مختلف (نظیر هندسه جریان، اندازه نانوذرات، سیال مورداستفاده و …) که بر ضریب هدایت گرمایی، ضریب جابه­جایی گرمایی و عدد ناسلت اثر می‌گذارد را در کنار یکدیگر در نظر بگیرد و تطابق نزدیکی با نتایج آزمایشگاهی داشته باشد.
  • فقدان تحقیقات آزمایشگاهی کافی در تعیین خواص رئولوژیک نانوسیالات غیرنیوتنی و اثر متغیرهای مختلف مثل دما، کسر حجمی نانوذرات، اندازه ذرات و غیره بر این خواص نیز موضوع مهمی است که نیاز به تحقیقات بیشتر را نشان می‌دهد.
  • در حال حاضر داده‌های آزمایشگاهی محدودی در زمینه انتقال حرارت نانوسیالات در کانال‌هایی با ابعاد میکرو و همچنین در زمینه انتقال حرارت جابه­جایی در نانوسیالات غیرنیوتنی، وجود دارند. بنابراین در این زمینه امکان مقایسه سیستماتیک و گسترده بین نتایج تحلیل‌های عددی با یافته‌های آزمایشگاهی وجود ندارد و در این رابطه نیاز به تحقیقات بیشتری است.

90
5-1 نتیجه‌گیری 91
5-2 پیشنهاد‌ات 91
منابع و مآخذ 93

Abstract:

In this study, turbulent flow of a non-Newtonian nanofluid is simulated in a microchannel with a circular cross section. At first, the types of microchannels classification, manufacturing methods of microchannels, also benefits and challenges of microchannels is expressed. After that, different models in describing the behavior of non-Newtonian fluids And then The concept of nanofluids, the techniques of nanoparticle production and preparation of nanofluids, different models for expression the termophysics properties of nanofluids like density, specific heat coefficient, thermal conductivity and dynamic viscosity is described. Also Suitable models were selected for the purposes of this study. By using CFX Software, equations of conservation of mass, conservation of momentum and conservation of energy is solved for turbulent flow of non-Newtonian fluid of aqueous solution 0.5% wt. of carboxymethyl cellulose and also for nanofluids containing CuO particles in the mentioned non-Newtonian fluid. Velocity fields, pressure and temperature of nanofluids obtained and calculated by analyzing the results of the heat transfer coefficient and Nusselt number of nanofluids. The effects of volume fraction or concentration of nanoparticles, Reynolds number and diameter nanoparticles have been studied on the results which represents an increase in heat transfer coefficient and Nusselt number by using Newtonian nanofluids compared to base Newtonian fluid. There is a direct relationship between this increase by volume fraction and Reynolds number. Also by decrease the diameter of the nanoparticles, heat transfer coefficient increases.



بلافاصله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود.


فایل pdf غیر قابل ویرایش

قیمت25000تومان

خرید فایل word

قیمت35000تومان