بخشی از مقاله
چکیده:
جریان جابجایی آزاد در یک محفظه مربعی شکل حاوی نانوسیال آب-اکسید مس به روش عددی مورد بررسی قرار گرفته است. دیواره افقی پایینی محفظه عایق و دیواره افقی بالایی در دمای ثابت سرد میباشد. دو منبع گرم با شار حرارتی ثابت به طور متقارن روی دیوارههای عمودی محفظه، در سه موقعیت مختلف - بالا، وسط و پایین - تعبیه شده است. شبیهسازیها برای اعداد رایلی 103، 104، 105 و 106 و کسر حجمی نانوذرات 0، 0/01، 0/02، 0/03، 0/04و 0/05 انجام شده و ارائه نتایج به صورت عدد ناسلت متوسط و خطوط جریان و خطوط همدما برای هر مورد میباشد. نتایج بدست آمده نشان میدهند که در تمامی حالات در نظر گرفته شده در این مسئله، با افزایش کسر حجمی نانوذرات، عدد ناسلت نیز افزایش مییابد، همچنین بیشینه مقدار اعداد ناسلت متوسط در حالتی رخ میدهد که منبع گرم در قسمت بالای دیوارههای جانبی محفظه قرار داشته باشد.
1 مقدمه
تجهیزات زیادی نظیر دستگاههای الکتریکی، پردازندههای کامپیوتری و سیستمهای تولید انرژی که در صنعت نفت، گاز و پتروشیمی کاربرد دارند، نیازمند سرمایش به منظور عملکرد بهتر میباشند. امروزه با افزایش بیسابقه بار و شار حرارتی در تجهیزات که ناشی از افزایش توان و کوچک شدن ابعاد می باشد، سرمایش به یکی از چالشهای اساسی در صنایع نوین تبدیل شده است. سرمایش به وسیله هوا، آب و روغن رایجترین راه برای خنکسازی میباشد. اما ضریب هدایت حرارتی پایین سیالاتی مانند گلیکل اتیلن، آب و روغن اصلی ترین عامل محدودیت در سرمایش کارآمد میباشد.
افزایش مساحت سطح انتقال حرارت، مخلوط کردن ذرات جامد فلزی یا اکسید فلزی در سیال عامل و افزایش سطح انتقال حرارت از طریق سطوح توسعه یافته مانند پرهها از جمله راههایی هستند که میتواند در بهبود انتقال حرارت و سرمایش موثر باشند. البته از مدتها پیش تلاشهای زیادی به منظور دستیابی به سیالاتی با ضریب هدایت حرارتی بالا انجام شده است. در مسائل مربوط به سرمایش و طراحی سیستم تولید سرما، طراحی کارآمد، کاهش هزینهها و بهینه کردن سیستمها در نیاز به سرمایش از جمله عواملی هستند که باید در ساخت یک مولد سرما در نظرگرفته شود.
بیش از یک قرن پیش، ماکسول [1-2] برای بهبود این مشکل اقدام به انجام تحقیقاتی کرد. مشکل اصلی تحقیقات او، مخلوطهای حاوی ذراتی با ابعاد میلیمتر و میکرومتر و ته نشین شدن سریع ذرات بوده که به علت این تهنشینی، با گردش نانوسیال این ذرات باعث فرسایش لولهها و پمپها میشوند. آزمایش دیگری توسط لیو[3] انجام شد که در آن اثر شدت جریان بر افت فشار و انتقال حرارت مورد بررسی قرار گرفته و از ذرات معلق در ابعاد میلیمتر و مقیاس میکرومتر استفاده شده است. این ذرات به دلیل اندازه بزرگشان منجر به بروز مشکلات بسیاری از جمله فرسایش میشوند.
برای حل این مشکل یک نوع سیال جدید استفاده شد که شامل ذراتی در ابعاد نانو - معمولا کمتر از 100 نانومتر - میباشد که به طور یکنواخت در مایع معلق شدهاند. اضافه کردن یک ذره کوچک در مقیاس نانو در مایعات تغییر خاصیت هدایت حرارتی قابل توجهی در مقایسه با روشهایی که موجب افزایش انتقال حرارت میشود را از خود نشان میدهد. در ادامه چوی [4] در آزمایشات خود به این نتیجه رسید که ویژگیهای کمی و مقداری، دلیلی برای افزایش انتقال حرارت و همچنین، کاهش اندازه، وزن و هزینههای دستگاههای گرما بدون هیچ گونه اثر منفی بر افت فشار نخواهد داشت.
در مرجع [5] نیز به این موضوع اشاره شده است. در آزمایشی که برای اولین بار توسط خانافر و همکاران [6] صورت پذیرفت، اثر پارامترهای مختلف بر نرخ انتقال حرارت مورد بررسی قرار گرفت. آنها دریافتند که با افزایش عدد گراشف و درصد حجمی نانوذرات، عدد ناسلت متوسط نیز افزایش خواهد یافت. این آزمایش با استفاده از انتقال حرارت جابجایی آزاد که به علت اختلاف دما به وجود آمده بود، درون محفظههای پر شده از نانوسیال انجام شد.
این موضوع در مراجع [7-9] مورد بررسی قرار گرفته است. ازتپ و ابوندا [10] با استفاده از روش حجم محدود اثرات نانوذرات و خاصیت شناوری را بر انتقال حرارت و جریان در داخل یک حفره مورد بررسی قرار دادند. آنها دریافتند که در محدودهای از اعداد رایلی با افزایش کسر حجمی از نانوذرات ناسلت متوسط نیز افزایش خواهد یافت. امینساداتی و قاسمی [11] برای مطالعه عددی در زمینه انتقال حرارت جابجایی آزاد درون یک حفره حاوی نانوسیال همراه با یک منبع حرارتی در دیواره پایین و دیواه های مرزی دما ثابت به این نتیجه رسیدند که پارامترهای بی بعد شامل عدد رایلی، موقعیت و طول منبع حرارتی و نوع و کسر حجمی نانوذرات در سیال پایه باعث بهبود سرمایش میشود.
سانترا و همکاران [12] مسئله جابجایی آزاد در یک حفره حاوی نانوسیال را با فرض رفتار غیرنیوتنی نانوسیال به روش عددی مورد مطالعه قرار دادند. نتایج آنها نشان داد که در برخی اعداد رایلی خاص، با افزایش کسر حجمی نانوذرات، نرخ انتقال حرارت کاهش مییابد و در محدوه دیگری از اعداد رایلی با افزایش کسر حجمی نانوذرات، نرخ انتقال حرارت افزایش مییابد. هندسههایی شامل منبع گرم شار ثابت و منبع سرد در بسیاری از مسائل مربوط به سرمایش قطعات الکترونیکی یافت میشوند.
مطالعه و بررسی این نوع مسائل در شناسایی الگوی جریان و انتقال حرارت در آنها ضروری و راه گشا به نظر میرسد. در تحقیق حاضر انتقال جابجایی آزاد نانوسیال آب-اکسید مس در یک محفظه مربعی شکل با منبع گرم شار ثابت روی دیوارههای جانبی و منبع سرد دما ثابت روی دیواره افقی بالایی آن، به صورت عددی مورد مطالعه قرار میگیرد. اثر پارامترهایی مانند عدد رایلی، کسر حجمی نانوذرات و مکان منبع گرم روی دیواره جانبی بر نرخ انتقال حرارت و جریان سیال بررسی میشود.
