فهرست مطالب

فصل اول: معرفی

گرمايش و سرمايش يک سيستم توسط سيال در بسياري از صنايع مانند صنايع الکترونيک، نيروگاه­ها، دستگاه­هاي نوري، آهنرباهاي ابر رسانا، کامپيوتر­هاي فوق سريع و موتور اتومبیل از اهميت زيادي برخوردار است. سيستم­هاي خنک‌کننده وگرمايشي بر پايه روش‌های مختلف انتقال حرارت طراحــي مي­شوند. با توجه به اين امر توسعه تکنيک­هاي موثر انتقال حرارت با توجه به محدوديت منابع طبيعي و تمايل به کاهش هزينه­ها بسيار ضروري مي­باشد. در این فصل ابتدا روش‌های بهبود انتقال حرارت را دسته‌بندی کرده و سپس در مورد روش‌هایی که در این پایان‌نامه به کار گرفته خواهند شد، با جزئیات بیشتری شرح داده خواهد شد.

1-1   مروری بر روشهای افزایش انتقال حرارت

در چند دهه اخیر به منظور صرفه‌جویی در مصرف انرژی و مواد اولیه و با در نظر گرفتن مسائل اقتصادی و زیست‌محیطی تلاش‌های زیادی برای ساخت دستگاه‌های تبادل کننده حرارتی پربازده صورت پذیرفته است که هدف اصلی آن‌ها کاهش اندازه وسایل حرارتی مورد نیاز برای یک بار حرارتی معین و افزایش ظرفیت انتقال حرارت می‌باشد. با نگاهی کلی بر کارهای انجام شده در این زمینه، می‌توان روش‌هایی که برای این کار ارائه شده است را به دو دسته کلی تقسیم کرد:

  1. روش‌های غیر فعال که نیازی به اعمال نیروی خارجی ندارند.
  2. روش‌های فعال که نیازمند توان خارجی می‌باشند.

 از روش‌های غیر فعال می‌توان به استفاده از سطوح گسترده، مبدل‌های حرارتی فشرده، مجاری با مقاطع غیر مدور، افزایش انتقال حرارت گردابه‌ای، میکروکانال‌ها، پوشش‌دهی و پرداخت سطح ، موجی‌کردن سطح و… و از روش‌های فعال نیز می‌توان همزدن مکانیکی، سطوح چرخنده، نوسان سطح، نوسان سیال ، استفاده از میدان الکتریکی، تزریق و مکش را اشاره کرد با توجه به اینکه در پایان‌نامه پیش رو، از دو عامل میکروکانال‌ها و مواد افزودنی به مایعات استفاده شده است، این‌دو روش مختصرا شرح داده خواهند شد. برای توضیحات بیشتر می‌توانید به رامیار ]7[ مراجعه کنید.

1-1-6 میکروکانال‌ها

یکی دیگر از روش‌های افزایش انتقال حرارت، استفاده از میکروکانالها می‌باشد. استفاده از این روش در صنایع و دستگاه‌های متفاوتی نظیر سرمایش قطعات الکترونیکی، مبدل‌هایِ حرارتیِ میکروکانال، سرمایش و روان‌سازی سیستم‌های روباتیک، سیستم‌های میکرو الکترومکانیکی و میکرورآکتورها کاربرد دارند. اساس کار میکروکانال‌ها افزایش نسبت سطح انتقال دهنده حرارت می‌باشد.

1-1-10 مواد افزودنی به مایعات

افزودن ذرات جامد به صورت معلق در سیال پایه یکی از روش‌های افزایش انتقال حرارت می‌باشد. افزایش ضریب هدایت حرارتی ایده اصلی در بهبود مشخصه‌های انتقال حرارت سیالات است. از آنجا که ضریب هدایت حرارتی ذرات جامد فلزی معمولاً بزرگتر از سیالات می‌باشد، انتظار می‌رود افزودن این ذرات جامد موجب افزایش ضریب هدایت حرارتی سیال پایه گردد. افزودن ذرات با اندازه میلی‌متر و میکرومتر بیش از 100 سال است که شناخته شده می‌باشد [‎1] اما استفاده از این ذرات بدلیل مشکلات عملی نظیر ته‌نشین شدن سریع ذرات، ایجاد سایش شدید، افزایش افت فشار و عدم امکان استفاده از آن‌ها در مجاری بسیار کوچک، میسر نیست. یکی دیگر از این روش‌ها تزریق گاز به داخل مایعات می‌باشد. با تزریق هوا به آب و اتیلن گلیکول افزایش تا 400% در ضریب انتقال حرارت مشاهده شده است [‎2].

1-2   نانوسیال

پیشرفت‌های اخیر در مهندسی مواد و توسعه فناوری‌های جدید زمینه را برای تولید ذرات با اندازه نانومتر (نانو مواد) فراهم کرده است. با پخش کردن این مواد در سیال نوع جدیدی از سیال به وجود می‌آید که نانوسیال نامیده می‌شود. ایده اصلی در این روش در واقع از همان روشِ اضافه کردن ذرات جامد به سیال گرفته شده است. نانو مواد خواص حرکتی و حرارتی سیال را به شدت تحت تاثیر قرار می‌دهند. نانو ذرات در مقایسه با ذرات در اندازه میلی‌متر یا میکرومتر دارای سطح تماس بیشتری هستند که قابلیت انتقال انرژی را بین ذرات جامد و سیال افزایش می‌دهد. مزیت دیگر این نوع سیال کوچک بودن نانوذرات پخش شده در آن است. این ذرات دارای ممنتوم کمتری هستند که در نتیجه از خوردگی دیواره لوله‌ها و کانال‌ها جلوگیری می‌شود. امکان ته نشین شدن این ذرات بدلیل وزن کم آن کمتر است. در فصل دوم درباره نانوسیال، خواص و ویژگی‌های آن به تفصیل توضیح داده شده است.

مقدمه  ……………………………………………………………………………… 2

1-1   مروری بر روشهای افزایش انتقال حرارت………………………………….. 2

1-1-1     میکروکانال‌ها. ……………………………………………………………..2

1-1-1     مواد افزودنی به مایعات………………………………………………… 3

1-2  نانوسیال……………………………………………………………………… 3

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

فصل دوم: نانوسیال و تعیین خواص آن.

یکی از راه‌های بهبود فرآیند انتقال حرارت در مبدل‌های حرارتی، افزودن موادی با ضریب هدایت حرارتی بالا به سیال است. محققان سال‌ها بر روي استفاده از مخلوط ذرات جامد معلق بسيار کوچک در ابعاد ميکرو در سيال برای بهبود انتقال حرارت کار کردند. اما اين سيالات مشکلات فراواني مانند رسوب گذاري، ناخالصي، خوردگي و افزايش افت فشار و… داشته­اند تا اينکه در سال 1881 ايده استفاده از ذرات براي اولين بار توسط ماکسول [2] مطرح شد و انقلاب بزرگي در زمينه انتقال حرارت در سيالات پديد آمد. در واقع او دیدگاه تازه­اي را در مورد سوسپانسيون سيال جامد با ذراتي در ابعاد نانو مطرح کرد. اولین بار ماسودا و همکاران [‎3] این سیال حاوی ذرات معلق را با نام ” نانوسيال[1]” معرفی کردند و بعد از آنها چوی [‎4] در آزمایشگاه آرگون آمریکا این مفهوم را به طور گسترده‌ای توسعه داد.

نانوسيال عبارت است از ذرات بسيار ريز جامد در ابعاد بين 1 تا 100 نانومتر[2] معلق در يک سيال پايه. بطور معمول نانوذرات از جنس فلزاتي مانند مس، آلومينيوم، پتاسيم، سيليسیم و اکسيدهاي آن­ها و همچنین نانولوله‌های کربن[3] و سيالات پايه نيز عمدتا از سيالات با رسانايي نسبتاً پايين‌تر مانند آب، اتيلن گليکول و سيالاتي از اين دسته که در صنعت به عنوان‌ هادي انتقال حرارت مورد استفاده قرار مي­گيرند، مي­باشند. نانوذرات نسبت به ذرات بزرگتر مانند میکروذرات، بسیار پایدارتر بوده و سطح تماس بیشتری با ناحیه سیال دارند. در واقع دو مشخصه اصلی نانوسیال یکی پایداری بسیار زیاد و دیگری ضریب هدایت حرارتی بسیار بالای آن است. همچنين به دليل کوچک بودن ذرات، تا حد زيادي مشکلات خوردگي و افت فشار کاهش پيدا می‌کند و همچنین پايداري برخي سيالات در مقابل رسوب­گذاري بطور چشم­گيري بهبود می‌یابد.

2-1  كاربردهاي نانوسيال

از نانوسيال مي‌توان براي بهبود انتقال حرارت و افزایش راندمان در سيستم‌هاي مختلف انرژي همانند خنک‌کاری اتومبيل‌ها و موارد مشابه استفاده كرد. در حال حاضر تعداد مؤسسات صنعتي و تحقيقاتي كه در حال بررسي استفاده از نانوسيال در محصولات خود هستند در حال افزايش است. در مورد زمينه‌هاي مختلف كاربرد نانوسيال، چه آنان كه بصورت بالقوه وجود دارند و چه آنهايي كه بصورت بالفعل در آمده‌اند، بطور مختصر می‌توان به کاربردهای آن در صنعت حمل و نقل، خنک کاری صنعتی،  رئوکتورهای اتمی، استخراج انرژی از منابع گرمایی و دیگر منابع انرژی، خنک کاری قطعات الکترونیکی، زمینه‌های نظامی، کاربردهای فضایی، زمینه‌های پزشکی و انتقال دارو نام برد. برای کسب اطلاعات کامل در زمینه تولید و کاربرد نانوسیالات می‌توانید به رامیار [‎5] مراجعه کنید.

2-2 پارامترهاي تأثیرگذار بر ضریب هدایت حرارتی

نتایج اولیه تجربی از بررسی انتقال حرارت نانوسیال در کانال‌هایی با هندسه‌های مختلف، حاکی از بهبود شدید در ضریب هدایت حرارتی و به تبع آن، ضریب انتقال حرارت جابجایی بود. تحقیقات متعددی برای بررسی علت این رفتار غیر متعارف صورت گرفت و حتی برخی از مقالات در سال‌های اخیر این رفتار را رد کردند. عوامل مؤثر بر خواص انتقال حرارتی نانوسیال عبارتند از:

کسر حجمی، جنس نانوذرات، نوع سیال، اندازه نانوذرات، شکل نانوذرات، دما، حرکت براونی، خوشه‌ای شدن، لایه‌ای شدن در اطراف نانوذره، ترموفورسیس[4]، دیفیوژئوفورسیس[5].

برای توضیحات بیشتر در مورد هر یک از این عوامل می‌توانید به رامیار [‎5] مراجعه فرمایید.

2-3 تعیین خواص نانوسیال

تاکنون محققان بسیاری در زمینه بدست آوردن خواص نانوسیالات پژوهش‌های متعددی انجام داده‌اند. در Error! Reference source not found.خواص برخی سیال‌ها و نانوذرات آورده شده است. در این پژوهش از نانوذره TiO2  استفاده شده است. همانطور که در قسمت قبل نیز اشاره شد، با توجه به تغییر غیر طبیعی خواص نانوسیال، بخصوص ضریب انتقال حرارت هدایتی و لزجت دینامیکی، تلاش‌های زیادی در جهت شناخت عواملی که منجر به این تغییرات می‌شوند و دستیابی به رابطه مناسب برای تعیین این خصوصیات صورت گرفته است. در این بخش به بررسی روابط استفاده شده در این پژوهش پرداخته می‌شود.

مقدمه ………………………………………………………………………………  5

2-1  كاربردهاي نانوسيال………………………………………………………….. 5

2-2 پارامترهاي تأثیرگذار بر ضریب هدایت حرارتی………………………………. 6

2-3 تعیین خواص نانوسیال………………………………………………………… 6

2-3-1   دانسیته……………………………………………………………………. 7

2-3-2  ظرفیت گرمایی ویژه………………………………………………………. 7

2-3-3  ضریب هدایت حرارتی…………………………………………………….. 7

2-3-4  لزجت دینامیکی…………………………………………………………… 8

فصل سوم: میکروکانال

گرمايش و سرمايش يک سيستم توسط سيال در بسياري از صنايع مانند صنايع الکترونيک، نيروگاه­ها، دستگاه­هاي نوري، آهنرباهاي ابر رسانا، کامپيوتر­هاي فوق سريع، موتور اتومبیل و … حائز اهمیت است. با توجه به طراحــي سيستم­هاي خنک‌کننده و گرمايشي بر پايه روش‌های مختلف انتقال حرارت و محدوديت منابع طبيعي و تمايل به کاهش هزينه­ها ، توسعه تکنيک­هاي موثر انتقال حرارت بسيار ضروري مي­باشد. در این فصل بطور مختصر، برخی از اثرات و نتایج در ابعاد میکرو مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

3-1 دلایل گرایش به ابعاد میکرو

فرآیند انتقال حرارت به مساحت سطح دیواره بستگی دارد که برای هندسه دایروی با قطر لولهD   متناسب است، در حالیکه دبی حجمی سیال عبوری با سطح مقطع سیال متناسب است که بطور خطی با D2 تغییر می‌کند. بنابراین نسبت مساحت دیواره به حجم سیال که معیاری از نسبت گرمای دفع شده توسط کانال مورد نظر به دبی سیال عبوری یا حجم سیال موجود است و در طراحی مبدل‌های حرارتی بخصوص میکرو مبدل‌ها از اهمیت زیادی برخوردار است، با 1/D تغییر می‌کند. بنابراین با کاهش قطر، نسبت مساحت دیواره به حجم سیال و کارآیی حرارتی مبدل افزایش می‌یابد. بنابراین با کاهش قطر هیدرولیکی کانال، نسبت سطح به حجم آن و در نتیجه کارآیی حرارتی آن افزایش می‌یابد.

3-2 دسته‌بندی کانال‌ها از لحاظ ابعاد

معیارهای مختلفی برای دسته‌بندی کانال‌ها وجود دارد. همان‌طور که در بخش بعد خواهیم گفت، نتایج برخی تحقیقات حاکی از تغییر رفتار سیال در ابعاد کوچک است. در مورد این‌که آیا این تغییرات اصولاً وجود دارند یا این‌که در صورت وجود برای یک هندسه کانال خاص از چه قطر هیدرولیکی اتفاق می‌افتند، اختلاف وجود دارد، اما آنچه که در مورد آن توافق کلی وجود دارد، عدم تبعیت گاز از شرط عدم لغزش در دیواره کانال در ابعاد خیلی کو‌چک است. ‏جدول 3-1 دسته‌بندی کانال‌ها را از لحاظ ابعاد یا قطر هیدرولیکی نشان می‌دهد که با توجه به نتایج موجود، به نظر می‌رسد محدوده میکروکانال آن بر اساس لغزش سیال انتخاب شده است[Error! Reference source not found.].

مقدمه  …………………………………………………………………………….. 10

3-1  دلایل گرایش به ابعاد میکرو…………………………………………………. 10

3-2 دسته‌بندی کانال‌ها از لحاظ ابعاد……………………………………………. 10

3-3 اثرات ابعادی در میکروکانال…………………………………………………… 11

3-3-1   اثر ورودي………………………………………………………………….. 11

3-3-3  اتلاف لزجی………………………………………………………………… 13

فصل چهارم: سیالات غیرنیوتنی

هدف از این فصل معرفی و ارائه رفتار سیال غیرنیوتنی است که کاربردهای گوناگونی در طبیعت و تکنولوژی دارد. موادی مانند فوم‌ها، سوسپانسیون‌ها، محلول‌های پلیمری و مذاب‌ها که در شرایط مقتضی رفتار نازک برشی[1]، ضخیم برشی[2]، ویسکو-پلاستیک[3]، وابسته زمانی[4] و ویسکو-الاستیک[5] را از خود نشان می‌دهند، غیرنیوتنی گفته می‌شود. تمام انواع رفتارهای غیرنیوتنی توسط داده‌های آزمایشگاهی روی مواد واقعی نشان داده شده است.بیشتر مواد با وزن مولکولی پایین مانند مایعات آلی[6] و غیرآلی[7]، محلول‌ نمک‌های غیرآلی با وزن مولکولی پایین، فلزات مذاب و گازها، خصوصیات جریان نیوتنی را از خود نشان می‌دهند یعنی در دما و فشار ثابت، در برش ساده، تنش برشی( ) با نرخ برش ( ) متناسب است و ثابت تناسب، همان ویسکوزیته دینامیکی( ) است. این سیالات بعنوان سیالات نیوتنی شناخته می‌شوند، زیرا ماهیت جریان و ویسکوزیته از قانون لزجت نیوتن ]40[ پیروی می‌کند. برای بیشتر مایعات، ویسکوزیته با دما کاهش می‌یابد و با فشار افزایش می‌یابد. برای گازها، ویسکوزیته هم با دما و هم با فشار افزایش می‌یابد ]35[. بطور آشکار، هر قدر ویسکوزیته یک ماده بیشتر باشد، در مقابل جریان و در نتیجه پمپاژ مقاومت بیشتری از خود نشان می‌دهد. جدول 4-1 مقادیر ویسکوزیته را برای برخی سیالات معمول نشان می‌دهد. چنانچه در جدول پایین برویم، ویسکوزیته با درجات بزرگی زیادی افزایش می‌یابد، و بنابراین ما می‌توانیم یک جامد را سیالی که ویسکوزیته آن به سمت بی نهایت میل می‌کند فرض کنیم،

طی50-60 سال اخیر، این حقیقت به اثبات رسیده است که بسیاری از مواد با اهمیت صنعتی، مخصوصا با طبیعت چند-فازی (برای مثال فوم‌ها، امولسیون‌ها، سوسپانسیون‌ها و دوغاب‌ها) و مذاب‌ها و محلول‌های پلیمری (طبیعی و مصنوعی) از رابطه نیوتن بین  و  در برش ساده پیروی نمی‌کنند. بنابراین، این سیالات، سیالات غیرنیوتنی، غیرخطی، پیچیده، یا ساده‌ترین انحراف از رفتار سیال نیوتنی زمانی اتفاق می‌افتد که رابطه بین  و  خطی نباشد. بطور معکوس، ویسکوزیته ظاهری که بصورت  تعریف می‌شود، مقدار ثابتی نیست و تابعی از  یا  است. در حقیقت، در شرایط مناسب، ویسکوزیته ظاهری این مواد فقط تابعی از شرایط جریان (هندسه، نرخ برش و غیره) نیست، بلکه وایسته به پیشینه جنبش‌شناسی جزء سیال مورد بررسی است. مناسب است که سیالات غیرنیوتنی را به سه دسته کلی زیر تقسیم‌بندی کنیم:

  1. سیستم‌هایی که مقدار در نقطه مورد بررسی فقط توسط مقدار  در آن نقطه تعیین می‌شود؛ این مواد از نظر ویسکوزیته بعنوان مواد ویسکوز خالص، صلب، وابسته زمانی یا سیال نیوتنی تعمیم یافته[8] شناخته می‌شوند.
  2. سیستم‌هایی که رابطه بین  و  وابستگی اضافی به مدت برش و پیشینه جنبش‌شناسی نشان می‌دهد؛ این سیالات، سیالات وابسته زمانی[9] نامیده می‌شوند.
  3. سیستم‌هایی که رفتار یک سیال ویسکوز و یک ماده شبه جامد الاستیک را بصورت مختلط نشان می‌دهند. مثلاً، این دسته از مواد رفتار برگشتی الاستیک جزئی، پی‌نشینی، خزشی و غیره نشان می‌دهند. بنابراین، این سیالات، سیالات ویسکوالاستیک[10] نامیده می‌شوند.

قابل ذکر است که روش طبقه‌بندی مذبور کاملا دلخواه است و بیشتر مواد واقعی در شرایط مناسب اغلب ترکیبی از دو یا حتی هر سه نوع رفتار بالا را نشان می‌دهند. برای مثال، برای یک مذاب پلیمری غیر معمول نیست که رفتار مستقل زمانی (نازک برشی) و ویسکو الاستیک را به‌طور همزمان از خود نشان دهد و همچنین برای یک سوسپانسیون خاک رس چینی ترکیبی از رفتارهای مستقل زمانی (نازک برشی یا ضخیم برشی) و رفتار وابسته زمانی (تیکسوتروپیک) را در غلظت‌های یکسان یا در نرخ‌های برش مناسب از خود نشان دهد.در ادامه تمام انواع رفتار سیالات غیرنیوتنی با ارائه جزئیات شرح داده می‌شوند.

4-2   رفتار مستقل زمانی سیال

این نوع از سیالات، با این واقعیت شناخته می‌شوند که مقدار جاری نرخ برش در یک نقطه سیال فقط بوسیله مقدار جاری تنش برشی و در جهت عکس عمل می‌کند. بطور معکوس، می‌توان گفت که این سیالات هیچ حافظه‌ای برای پیشینه‌شان ندارند. بنابراین، رفتار برشی

مقدمه…………………………………………………………………………………   15

4-1  معرفی سیالات غیرنیوتنی……………………………………………………. 16

4-2 رفتار مستقل زمانی سیال…………………………………………………….. 17

4-2-1   رفتار نازک برشی…………………………………………………………… 18

4-2-1-1 معادله سیال توانی یا استوالد دی وائل………………………………… 19

4-2-1-1 معادله ویسکوزیته کراس…………………………………………………. 21

4-2-1-3 معادله سیال الیس………………………………………………………. 21

4-2-2   رفتار ویسکو-پلاستیک سیال…………………………………………….. 21

4-2-3  رفتار ضخیم برشی یا دیلاتانت……………………………………………. 24

4-3 رفتار وابسته زمانی سیال…………………………………………………… 26

4-4 رفتار ویسکو الاستیک سیال………………………………………………. 26

فصل پنجم: بررسی کارهای انجام شده.

در این بخش به بررسی مقالات موجود در زمینه بررسی عددی و یا تجربی میکروکانال‌ها و نانوسیال و سیالات غیرنیوتنی پرداخته خواهد شد. در ابتدا به هر مقوله بصورت مجزا پرداخته شده و در انتهای فصل مقالاتی که هر سه مقوله را تحت پوشش قرار می‌دهند، مورد بررسی قرار خواهند گرفت.

5-1   جریان در میکروکانال

مبدل‌های حرارتی به روش‌های مختلف از سیال برای خنک‌کاری استفاده می‌کنند: میکروکانال سینک‌های گرمایی، خنک‌کاری افشانه‌ای[1] و خنک‌کاری با برخورد جت[2]. پرکاربردترین سینک گرمایی، سینک گرمایی میکروکانال است که سیال خنک کننده در درون آن به گردش در می‌آید. سیال خنک‌کننده، با استفاده از انتقال حرارت جابجایی اجباری تک- فاز گرما را دفع می‌کند. بدنه میکروکانال از جنس فلزاتی با ضریب هدایت بالا از قبیل سیلیکون و مس است که توسط روش‌های مختلف تولید می‌شود. با توجه به اهمیت میکروکانال در صنایع مختلف تحقیقات متعددی در این زمینه انجام گرفته است و بررسی همگی آنها از حوصله این پایان‌نامه خارج است. در اینجا به اشاره گذرای تعدادی از کارهای انجام شده در این زمینه پرداخته می‌شود. لذا برای مطالعه کارهای بیشتر در زمینه میکروکانال‌ها می‌توانید به رامیار ]7[ مراجعه کنید.استفاده از مايع در ميکروکانال‌هاي سيستم خنک‌کاری پردازشگرها اولین بار توسط تاکرمن و پیس [Error! Reference source not found.] معرفي گرديد و سپس توسط محققان متعدد مورد بررسي قرار گرفت. آنها از یک میکرو سینک گرمایی سیلیکونی که از آب جهت خنک کاری بهره می‌جست، استفاده کردند.

تسو و ماهولیکار [Error! Reference source not found.] و [Error! Reference source not found.] به تحلیل تجربی و نظری جریان سیال در میکروکانال‌های دایروی با در نظر گرفتن جمله اتلاف لزجی پرداختند. آنها در بررسی‌های تجربی خود با اعداد برینکمن بسیار کوچکی مواجه شدند (از مرتبه 8-10). بنابراین در بررسی‌های تجربی آنها اتلاف لزجی برای تأثیرگذاری بر دمای متوسط آب بسیار کوچک بود. آنها نشان دادند که نتایج تجربی مربوط به ضریب اصطکاک به‌ خوبی با استفاده از عدد برینکمن یا جمله اتلاف لزجی، قابل توجیه است.کو و کلینستروئر [Error! Reference source not found.] و [Error! Reference source not found.] با استفاده از آنالیز ابعادی و شبیه‌سازی عددی اثر جمله اتلاف لزجی را بر میدان دما و ضریب اصطکاک بررسی کردند. آنها سه عامل قطر هیدرولیکی، عدد رینولدز و عدد برینکمن را پارامترهای تعیین کننده اثر جمله اتلاف لزجی بیان کردند و نتیجه‌گیری کردند که این جمله برای سیالاتی با ظرفیت حرارتی پایین و لزجت بالا حائز اهمیت می‌شود. آنها نشان دادند که هنگامی‌که ابعاد سیستم کوچک می‌شود (بعنوان مثال برای آب هنگامی‌که قطر هیدرولیکی کوچک‌تر از 50 میکرومتر می‌شود)، اثر جمله اتلاف لزجی بر ضریب اصطکاک بیشتر می‌شود. نتایج آن‌ها نشان داد که اثر تغییر خواص با دما بر اتلاف لزجی در کانال‌های طویل با قطر هیدرولیکی کوچک و بخصوص برای سیال مایع با اهمیت می‌شود. این اثر، باعث افزایش دمای سیال و در نتیجه کاهش اثر اتلاف لزجی می‌شود.

مورینی و اسپیگا [Error! Reference source not found.] به بررسی عددی جریان مایع در میکروکانال با مقاطع مختلف پرداختند و نقش جمله اتلاف لزجی را بررسی کرده و روابطی را برای ارتباط بین عدد ناسلت و عدد برینکمن در میکروکانال‌ها ارائه دادند. آنها نشان دادند که نوع سیال و نسبت منظر تأثیر بسزایی در میزان اهمیت جمله اتلاف لزجی در میکروکانال دارند. در حالی که برای ایزوپروپانول[3] در قطرهای هیدرولیکی‌ کمتر از mµ 200 جمله اتلاف لزجی باید در نظر گرفته شود، این مقدار برای آب به mµ 50 می‌رسد. در نهایت آنها نشان دادند که بهبود انتقال حرارت تنها با کاهش بی قید و شرط ابعاد کانال امکان‌پذیر نیست و هرچه با کاهش ابعاد ضریب انتقال حرارت افزایش می‌یابد، جمله اتلاف لزجی اثر خود را بصورت افزایش دمای سیال و کاهش عدد ناسلت بیشتر نشان می‌دهد.هانگ در دو مقاله خود [Error! Reference source not found.] و [Error! Reference source not found.] انتقال حرات جابجایی در میکروکانال از دیدگاه قانون دوم را مورد بررسی قرار داد. او دریافت که اگر چه جمله اتلاف لزجی مهمترین پارامتر در تولید انتروپی نیست، اما بسیار تأثیرگذار است. لذا او نتیجه گیری کرد که بر اساس نتایج مقالات خود و همچنین مقالات دیگر، در تحلیل انتقال حرارت در ابعاد میکروکانال، این جمله باید در نظر گرفته شود.ستین و همکاران [Error! Reference source not found.] جریان دوبعدی سیال را در یک میکرولوله با در نظر گرفتن اثر رقیق‌شدگی، اتلاف لزجی و هدایت محوری با شرایط مرزی شار حرارتی ثابت بررسی کردند. آن‌ها برای حل معادله انرژی از روش تحلیلی و نرم‌افزار  Mathematicaاستفاده کردند. نتایج بیانگر این مطلب بود که عدد ناسلت موضعی با افزایش عدد نادسن و برینکمن افزایش می‌یابد. با افزایش عدد نادسن نیز اثر عدد برینکمن بر عدد ناسلت کم‌رنگ‌تر می‌شود.مکرانی و همکاران [Error! Reference source not found.] به بررسی تجربی جریان درون یک میکروکانال مستطیلی طویل پرداختند. بررسی نتایج هیدرودینامیکی و گرمایی نشان داد که با تغییر قطر هیدرولیکی از mm1 تا mµ100 داده‌های تجربی استخراج شده با نتایج بدست آمده از روابط کلاسیک کانال‌های در ابعاد بزرگ مطابقت دارد. آن‌ها نتیجه‌گیری کردند که برای میکروکانال‌هایی با دیواره هموار و قطرهای هیدرولیکی بزرگتر و مساوی mµ100، قوانین و روابط جریان و انتقال حرارت جابجایی (ناویر-استوکس) قابل استفاده است.

با توجه به پراکندگی نتایج موجود در زمینه میکروکانال، محققان مختلف به بررسی و تحلیل نتایج موجود مقالات تجربی پرداخته و با بحث در زمینه دلایل انحرافات دیده شده، به مقایسه توجیه‌های متعدد ارائه شده در این مقالات پرداختند.کو و کلینستروئر [Error! Reference source not found.] با بررسی مقالات تجربی مرتبط با میکروکانال‌ها، آنها را به سه دسته تقسیم کردند. دسته اول بر ناپایداری جریان در ابعاد کوچک تأکید دارند. دسته دوم تغییرات لزجت را عامل انحراف جریان از تئوری متداول آن می‌دانند و دسته سوم معتقدند که هیچ انحرافی وجود ندارد و تنها عامل آن را مشکلات در اندازه‌گیری در ابعاد کوچک می‌دانند. با مطالعه نتایج آن‌ها نظر گروه سوم را به واقعیت نزدیک‌تر دانستند.

مقدمه ……………………………………………………………………………  29

5-1  جریان در میکروکانال……………………………………………………….. 29

5-2 نانوسیال……………………………………………………………………… 33

5-3 سیال و نانوسیال غیرنیوتنی……………………………………………….. 36

5-4 نانوسیال در میکروکانال……………………………………………………. 44

5-5 سیال غیرنیوتنی در میکروکانال…………………………………………… 46

فصل ششم: معادلات حاکم

همان‌طور که در فصل قبل با بررسی مقالات مختلف اشاره شد، برای جریان مایع در درون میکروکانال، عموم مطالعات به این انجامیده است که اثر لغزش قابل صرفنظر بوده و پدیده‌های خاص مشاهده شده در برخی آزمایشات تجربی با در نظر گرفتن برخی پارامترها همانند اتلاف لزجی، وابستگی خصوصیات به دما و هدایت در ناحیه جامد قابل توجیه است. از طرفی در مورد نانوسیال، برخی محققان سیال و نانوذرات جامد را بصورت یک فاز مدل کرده و برخی دیگر نیز اثرات فاز دوم یعنی نانوذرات را به روش‌های دیگر مد نظر قرار دادند.در این فصل ابتدا شکل کلی معادلات حاکم ارائه شده و سپس در مورد مدل‌های بررسی مخلوط معلق نانوذرات در سیال بحث شده و در نهایت در مورد هندسه، معادلات حاکم و شرایط مرزی مسئله حاضر بحث خواهد شد.

مقدمه ……………………………………………………………………………. 51

6-1  معادلات حاکم.. …………………………………………………………….51

6-2 بررسی و گسسته سازی معادلات حاکم………………………………… 53

6-2-1   معادله ممنتم در جهت x..ا…………………………………………….. 54

6-2-2   معادله انرژی……………………………………………………………… 56

6-2-3  حل معادله فشار. …………………………………………………………58

فصل هفتم:  نتایج..

 

مقدمه …………………………………………………………………………….  62

7-1  کانال………………………………………………………………………….. 62

7-1-1    خواص رئولوژیکی نانوسیال……………………………………………. 63

7-1-1    درستی آزمایی کد……………………………………………………… 64

7-1-2   حل مستقل از شبکه……………………………………………………. 65

7-1-3   نتایج……………………………………………………………………….. 66

7-2 میکروکانال همگرا……………………………………………………………… 76

7-2-1   حل مستقل از شبکه……………………………………………………. 76

7-2-2  نتایج………………………………………………………………………… 77

7-2 میکروکانال…………………………………………………………………….. 90

7-2-1   حل مستقل از شبکه……………………………………………………. 91

7-2-2  نتایج……………………………………………………………………….. 92

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

فصل هشتم:  نتیجه‌گیری و پیشنهادات.

مراجع   ……………………………………………………………………………….111


Abstract

Research in convective heat transfer using suspensions of nanometer-sized solid particles in base liquids started only over the past decade. Recent investigations on nanofluids, as such suspensions are often called, indicate that the suspended nanoparticles markedly change the transport properties and heat transfer characteristics of the suspension. Also, using the channels with milli and micro size can enhance the heat transfer performance of systems. Because of importance of the non-Newtonian fluids in the process industry, the aim of this study is the investigation of the flow and heat transfer of non-Newtonian nanofluids in the microchannels.In the present work, mixing of two laminar flows of non-Newtonian nanofluids through a two dimensional microchannel is numerically investigated. The governing equations are being discretised using finite volume approach. TiO2 nanoparticles with 10nm diameter were dispersed in a 0.5 wt.% aqueous solution of carboxymethyl cellulose (CMC) to prepare non-Newtonian nanofluid. This nanofluid, as well as the base fluid, exhibits pseudoplastic behavior. The thermal and rheological properties of the base fluid and nanofluid are temperature dependent and in this paper we present a new correlation for the power law and the consistency indices with temperature of the fluid. Also the effect of viscous dissipation term on results is taken into account.

 



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


فایل pdf غیر قابل ویرایش

قیمت25000تومان

خرید فایل word

قیمت35000تومان