بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله بررسی عددی رفتار جابجایی ترکیبی نانو سیال آب - دی اکسید تیتانیوم در میکروکانال با مقطع مستطیلی و رژیم جریان آرام مورد بررسی قرار گرفت. در دیواره های میکروکانال شرایط مرزی لغزش سرعت و پرش دمایی اعمال گردید و اثرات عدد نادسن بر ضریب انتقال حرارت مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاصل شده حاکی از کاهش شدید ضریب انتقال حرارت پس از اعمال شرط مرزی پرش دمایی در دیواره میکروکانال میباشد و اعمال هر دو شرط مرزی، کاهش 19 درصدی ضریب انتقال حرارت را نسبت به حالت عدم لغزش نشان میدهد. همچنین با تغییر عدد رینولدز، عدد ریچاردسون کاهش بسزایی مییابد و سبب غلبه جابجایی اجباری بر جابجایی آزاد میگردد. بررسی نسبت منظری میکروکانال نشان داد که با کاهش نسبت منظری و افزایش قطر هیدرولیکی میکروکانال، عدد ناسلت کاهش یافته و این عامل سبب افزایش شدیدی در عدد ریچاردسون میگردد. این افزایش به گونه ایست که میتوان از جریان جابجایی اجباری در برابر جابجایی آزاد چشم پوشی کرد.
مقدمه:
به مخلوطی از ذرات نانو فلزی یا غیر فلزی با سایز 1 تا 100 نانومتر که در یک سیال پایه معلق شده باشند، نانو سیال اطلاق میشود. نانوسیال ها جنبههای ویژهای دارند که آنهارا کاملاً از مخلوط سیالات دو فازی که در آنها ذرات در ابعاد میکرو یا میلیمتر هستند، متمایز میکنند. ذرات معلق فوق ریز، خواص انتقالی و عملکرد انتقال حرارت نانوسیال ها را تغییر میدهد، به طوری که پتانسیل بالایی در بهبود انتقال حرارت نشان میدهند.[1]یکی از مشکلات اصلی پیش بینی شده جریان سیال ها در کانال ها به مقیاس میکرو و نانو را میتوان به تاثیرات رقیق سازی نسبت داد. رقیق سازی بهکمک پارامتر بی بعد نادسن - Kn - سنجیده میشود. نسبت فاصله آزاد متوسط بین مولکولهای سیال - - به طول مشخصه سیستم - L - را عدد نادسن - - Kn= L مینامند که مشخص کننده درجه غلظت سیستم است.[2] شکل1 جریان سیال در مینی کانالها و میکروکانالها را نشان میدهد.
شکل - 1 - جریان سیال در مینیکانالها و میکروکانالها[3]
هتیاراچی و همکاران [4] جریان لغزشی آرام سه بعدی و انتقال حرارت در میکروکانال مستطیلی با دیوارهای دما ثابت را مورد بررسی قرار دادند. آن ها نشان دادند تأثیر لغزش سرعت سبب افزایش عدد ناسلت می گردد در صورتیکه پرش دمایی تمایل به کاهش آن دارد و تأثیر ترکیب شده، میتواند منجر به افزایش و یا کاهش عدد ناسلت گردد.ریسی و همکارانش [5] مطالعه عددی انتقال حرارت جابجایی آرام نانوسیال آب- مس در یک میکروکانال با شرایط مرزی لغزش و عدم لغزش انجام دادند. آنها اثر پارامترهای مؤثر از قبیل عدد رینولدز، غلظت ذره و ضریب سرعت لغزشی را روی مشخصههای انتقال حرارت نانوسیال بررسی کردند. نتایج نشان داد که غلظت ذره و ضریب سرعت لغزشی، آثار مهمی روی سرعت انتقال حرارت در اعداد رینولدز بالا دارد.اکبری نیا و همکارانش [6] نیزانتقال حرارت جابجایی در رژیم آرام جریان نانوسیال آب- اکسیدآلومینیوم را در هر دو وضعیت لغزش و عدم لغزش در یک میکروکانال مستطیلی مورد تحقیق قرار دادند و شرایط مرزی پرش دمایی و لغزش سرعت را در فصل مشترک دیوار- سیال بکار بردند. همچنین تأثیرات هم زمان سرعت ورودی و کسر حجمی نانوذرات را بر روی افزایش انتقال حرارت بررسی کردند. آنها نشان دادند افزایش کسر حجمی نانوذرات، لزجت دینامیکی و دانسیته را افزایش می دهد. همچنین افزایش سرعت ورودی توان پمپاژ را - در رینولدز ثابت - افزایش می دهد. لذا می توان به افزایش انتقال حرارت تنها با افزایش سرعت ورودی، نائل آمد. افزایش عدد ناسلت نیز بهدلیل افزایش غلظت نانوذرات نمیباشد بلکه به دلیل افزایش سرعت ورودی است.
فیزیک مسئله و معادلات حاکم بر جریان
میکروکانالی با سطح مقطع مستطیل به طول 10 سانتی متر و عرض 0/5 سانتی متر به طوریکه جریان آرام با سرعت و دمای مشخص وارد میکروکانال شده و به صورت دایم و دوبعدی متقارن در نظر گرفته شده است. نسبت منظری میکروکانال به صورتL/D=20 انتخاب شده تا در خروجی به جریان توسعه یافته هیدرولیکی برسیم. با فرض تقارن جریان و میدان حرارتی در راستای محور افقی، جهت صرفه جویی زمان محاسباتی - بدون از دست دادن دقت حل - نصف کانال برای حل مساله انتخاب خواهد شد.
شرایط مرزی مساله
-1 ورودی میکروکانال: پروفیلهای یکنواخت سرعتv0و درجه حرارت - T0 - T0=300 به صورت ثابت فرض شدهاند.
-2 فصل مشترک جامد - مایع: سرعت در راستای y، صفر است در صورتیکه سرعت لغزشی و پرش دمای جریان نانوسیال مجاور دیوار متناسب با گرادیان های دما و سرعت نرمال در فصل مشترک دیوار - سیال می باشد.رقیق سازی موجب لغزش سرعت در فصل مشترک دیوار- سیال می گردد. روی دیواره ها در محدوده جریان لغزشی، سرعت مخالف صفر بوده و طبق رابطه زیر تعریف میگردد:
